Cluster Deposition

Für die meisten Anwendungen müssen Cluster auf Substraten deponiert werden. Ein typisches Beispiel sind die Platin-Nanopartikel im Autokatalysator, die auf der Oberfläche eines keramischen Trägermaterials "befestigt" sind. Cluster sind sehr viel kleiner als die Platinpartikel in herkömmlichen Katalysatoren und ihre Eigenschaften variieren mit jedem Atom. Die Präparation von Oberflächen mit Clustern einer Größe ist aufwändig. Die Cluster werden in einer geeigneten Quelle als Ionen erzeugt, mit einem Massenspektrometer (zum Beispiel ein Sektormagnet) nach der Masse getrennt. Die Clusterionen einer ausgewählten Größe werden weich auf einem Substrat gelandet (Experimenteller Aufbau Bild unten). Ein solches Experiment wurde gemeinsam von der Arbeitsgruppe aus Konstanz und der Gruppe von Kit Bowen an Johns Hopkins University in Baltimore im Department of Chemistry aufgebaut.

Das Labor in Baltimore (Foto unten) erfreut sich einer großen Beliebtheit bei den Studenten aus Konstanz. Manchmal absolvieren mehrere Studenten (Fotocollage) ihre Bachelor- oder Masterarbeit oder ein Praktikum gleichzeitig im Labor an der Johns Hopkins University.

 Die Arbeiten verfolgen zwei Ziele:

• Durch die Wechselwirkung mit der Oberfläche verändern sich die geometrische und die elektronische Struktur der Cluster. Erstes Ziel der Forschung ist ein Vergleich der Eigenschaften der deponierten Cluster mit denen der freien Cluster. Diese Veränderung hängt auch von der Art des Substrats ab, so dass beispielsweise ein Goldcluster auf der einen Oberfläche katalytisch aktiv ist und auf der anderen nicht.

• Ein weiterführendes Ziel ist die Vermessung der chemischen Eigenschaften der Cluster. Dabei geht es zum Beispiel um die katalytische Aktivität für ausgewählte Modellreaktionen wie die Oxidation von Kohlenmonooxid zu Kohlendioxid.

Da die Untersuchung massenselektierter Cluster auf Oberflächen ein neues Forschungsgebiet ist, gibt es auch immer wieder überraschende Entdeckungen jenseits der gesteckten Forschungsziele. Ein Beispiel ist der "Babycrystal" (PbS)₃₂ (Bild unten).

Ausgewählte Publikationen

• X. Tang, J. Schneider, A. Dollinger, Y. Luo, A. S. Wörz, K. Judai, S. Abbet, Y. D. Kim, G. F. Ganteför, D. H. Fairbrother, U. Heiz, K. H. Bowen and S. Proch, "Very small ‘‘window of opportunity’’ for generating CO oxidation-active Au_n on TiO₂", Phys. Chem. Chem. Phys., 2014, 16 (14), 6735 - 6742.
• X. Li, K. Wepasnick, X. Tang, D. H. Fairbrother, K. H. Bowen, A. Dollinger, C. H. Strobel, J. Huber, T. Mangler, Y. Luo, S. Proch, and G. Gantefoer, "A new nanomaterial synthesized from size-selected, ligand-free metal clusters", J. Appl. Phys. 155 (2014) in press.
• X. Tang, X. Li, Y. Wang, K. Wepasnick, A. Lim, D. H. Fairbrother, K. H. Bowen, T. Mangler, S. Noessner, C. Wolke, M. Grossmann, A. Koop, G. Gantefoer, B. Kiran, A. K. Kandalam, "Size Selected Clusters on Surfaces", Journal of Physics: Conference Series 438, 012005 (2013).
• Xiang Li, Kevin A. Wepasnick, Xin Tang, Yi Wang, Kit H. Bowen, D. Howard Fairbrother, and Gerd Gantefoer, “Ion induced modification of size-selected MoO₃ and WO₃ clusters deposited on HOPG”, J. Vac. Sci. Technol. B 30, 031806 (2012).


• K. Boggavarapu, A. Kandalam, R. Rallabandi, P. Koirala, Xiang Li, Xin Tang, Yi Wang, D.H. Fairbrother, G. Gantefoer, and K. Bowen, “(PbS)₃₂: A baby crystal”, J. Chem. Phys. 136, 024317 (2012).