Isolated and deposited metal clusters

Abstract

The present work deals with different semiempirical potentials to the global optimization of transition and noble metal clusters. The three energetically lowest isomers of gold and silver clusters with up to 150 atoms have been determined. For structural and energetical comparison, additional computations have been performed on nickel and copper systems. The results confirm the applicability of the embedding functions even to the smallest metal particles. In order to determine general cluster properties, we have introduced structural and energetical descriptors such as stability function, moments of inertia, radial distribution of distances, similarity function quantifying the similarity to different fcc and icosahedral fragments, and how much a cluster of N atoms can be considered as made of a N-1 - atom cluster plus one additional atom. When possible, comparison was made to ab initio and experimental results. While copper, nickel and silver clusters show very similar structural and energetical properties, gold clusters differ markedly from those systems. In contrast to the regular icosahedral cluster growth observed for Ni and Cu, and the decahedral for Ag, the gold particles show irregular growth with predominant low-symmetric lowest-energy isomers, and no preferred structural pattern. The second part of this study concerns dynamical processes of deposition of clusters on metal surfaces. The cluster-cluster interactions were followed from the Low Energy Cluster Beam, using a newly developed Molecular Dynamics algorithm, simulating the experimental procedure. It was found that applying even little kinetic energy to the clusters leads to the formation of diverse (meta)stable products. The cluster molecules emerged from the collision processes had relatively short lifetimes, and were crucially dependent on the initial orientation of the impacting clusters. Deposition of clusters on substrates was carried out using particularly stable and particularly unstable copper cluster structures. The results showed that at low impact energies the structure of the smallest deposited cluster, Cu13 , remained preserved on the surface up to relatively high impact energy of 0.5 eV/atom, where it collapsed on the surface forming a monolayer. Similar behavior was observed for the particularly unstable Cu18. The final products of the cluster deposition depended on all parameters of the deposition process, i.e., impact energy, cluster size, relative orientation and position.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Anwendung verschiedener semiempirischer Potentiale zur globalen Optimierung von Übergangs- und Edelmetall-Clustern. Es wurden die drei energetisch niedrigsten Isomere von Gold- und Silber-Clustern mit bis zu 150 Atomen bestimmt. Um die Strukturen und Energien vergleichen zu können, wurden zusätzliche Berechnungen mit Nickel- und Kupfer-Systemen durchgeführt. Die Ergebnisse bestätigen die Anwendbarkeit der Embedding-Funktionen auf kleinste Metallpartikel. Um allgemeine Cluster-Eigenschaften bestimmen zu können, wurden strukturelle und energetische Deskriptoren eingeführt, wie zum Beispiel Stabilitätsfunktion, Massenträgheitsmoment, Radiale Verteilungsfunktion oder Ähnlichkeitsfunktion, welche die Ähnlichkeit von verschiedenen fcc und ikosaedrischen Fragmenten quantifziert und inwiefern ein Cluster (bestehend) aus N Atomen als ein Cluster aus N - 1 Atomen plus ein zusätzliches Atom betrachtet werden kann. Wenn möglich wurde mit ab initio und experimentellen Ergebnissen verglichen. Während Cu-, Ni-, und Ag-Cluster sehr ähnliche strukturelle und energetische Eigenschaften zeigen, unterscheiden sich Au-Cluster erheblich von diesen Systemen. Im Gegensatz zu dem regelmäßigen ikosaedralen Cluster-Wachstum, welches für Ni und Cu beobachtet wurde, und dem dekaedralen Wachstum für Ag zeigen die Au-Partikel unregelmäßiges Wachstum, das zu vorwiegend niedrigsymmetrischen Isomeren führt. In diesem Fall bevorzugen die Au-Partikel keine bestimmten Wachstumsmuster. Der zweite Teil dieser Arbeit bezieht sich auf dynamische Prozesse der Deponierung von Clustern auf metallenen Oberflächen. Die Cluster-Cluster-Wechselwirkungen wurden dem Low Energy Cluster Beam-Experiment (LECB) nachgeahmt, in dem man einen Molecular Dynamics Algorithmus entwickelt hat, der die experimentelle Prozedur simuliert. Man fand heraus, dass selbst niedrige kinetische Anfangsenergie der Cluster zur Bildung von verschiedenen (meta)stabilen Produkten führt. Die Cluster-Moleküle, welche aus dem Kollisionsprozess entstehen, sind relativ kurzlebig, und hängen entscheidend von der ursprünglichen Orientierung der zusammenstoßenden Cluster ab. Die Deponierung von Clustern auf Oberflächen wurde mithilfe von besonders stabilen, bzw. instabilen Strukturen von Kupfer-Clustern durchgeführt. Diese Ergebnisse zeigen, dass bei niedrigen Anfangsenergien die Struktur des kleinsten deponierten Clusters, Cu13 , auf der Oberfläche erhalten bleibt. Bei höheren Anfangsenergien von 0.5 eV/Atom bildet das Cluster eine Monoschicht auf der Oberfläche. Ein ähnliches Verhalten wurde mit dem besonders instabilen Cu18 Cluster beobachtet. Die Endprodukte der Cluster-Deponierung hängen von allen Parametern des Deponierungsprozesses ab, wie Anfangsenergie, Clustergröße, relativer Orientierung, und Position.