Heimurinn í kringum okkur er sameiginleg afleiðing margra fyrirbæra og ferla úr ýmsum vísindum, það er nánast ómögulegt að nefna það mikilvægasta. Þrátt fyrir ákveðna samkeppni hafa margir þættir ákveðinna vísinda svipaða eiginleika. Tökum rúmfræði sem dæmi: allt sem við sjáum hefur ákveðna lögun, þar af einn af þeim algengustu í náttúrunni er hringur, hringur, kúla, kúla (trend í andliti). Löngunin til að vera kúlulaga kemur fram í bæði plánetum og atómþyrpingum. En það er alltaf undantekning frá reglunum. Vísindamenn frá háskólanum í Leuven (Belgíu) komust að því að gullatóm mynda ekki kúlulaga, heldur pýramídaþyrpingar. Hvað veldur þessari óvenjulegu hegðun gullatóma, hvaða eiginleika hafa dýrmætir pýramídar og hvernig er hægt að beita þessari uppgötvun í reynd? Við lærum um þetta af skýrslu vísindamanna. Farðu.
Rannsóknargrundvöllur
Tilvist óvenjulegra þyrpinga gullatóma hefur verið þekkt í nokkuð langan tíma. Þessi mannvirki hafa óvenjulega efna- og rafeiginleika og þess vegna hefur áhugi á þeim aðeins aukist með árunum. Flestar rannsóknir hafa beinst að rannsóknum á víddarfíkn, en slík rannsókn krefst stýrðrar nýmyndunar og mikillar nákvæmni mælinga.
Auðvitað eru til mismunandi gerðir af þyrpingum, en vinsælust til rannsókna er Au20, það er þyrping með 20 gullatómum. Vinsældir þess eru vegna þess að það er mjög samhverft tetrahedral* uppbygging og furðu stór HOMO-LUMO (HL) eftir bili (bil)*.
Fjórþungi* - margliður með fjórum þríhyrningum sem flötum. Ef við teljum eitt af andlitunum vera grunninn, þá má kalla fjórhyrninginn þríhyrningslaga pýramída.
HOMO-LUMO bil (bil)* — HOMO og LUMO eru tegundir sameindasvigrúma (stærðfræðilegt fall sem lýsir bylgjuhegðun rafeinda í sameind). HOMO stendur fyrir hæsta upptekna sameindasvigrúm og LUMO stendur fyrir lægsta óupptekna sameindasvigrúm. Rafeindir sameindar í grunnástandi fylla allar svigrúm með minnstu orku. Sporbrautin sem hefur mestu orkuna meðal þeirra fylltu kallast HOMO. Aftur á móti er LUMO orkuminnsta sporbrautin. Orkumunurinn á milli þessara tveggja tegunda svigrúma er kallaður HOMO-LUMO bilið.
Ljósrófsgreining á Au20 sýndi að HOMO-LUMO bilið er 1.77 eV.
Hermunir sem gerðar voru á grundvelli þéttleika virknikenningarinnar (aðferð til að reikna út rafeindabyggingu kerfa) sýndu að slíkum orkumun er eingöngu hægt að ná með tetrahedral pýramída með Td samhverfu (fjörvötnuð samhverfu), sem er stöðugasta rúmfræði fyrir Au20 klasanum.
Vísindamenn taka fram að fyrri rannsóknir á Au20 hafi gefið afar ónákvæmar niðurstöður vegna þess hversu flókið ferlið er. Áður var notuð rafeindasmásjá með flutningsskönnun, mikil orka geislans brenglaði athugunarniðurstöðurnar: stöðug sveifla á Au20 sást á milli mismunandi burðarvirkja. Í 5% af myndunum sem fengust var Au20 þyrpingin tetrahedral og í restinni var rúmfræði hans algjörlega röskuð. Þess vegna var varla hægt að kalla 20% sannað að tilvist fjötrahedral AuXNUMX byggingu væri á undirlagi úr, til dæmis, myndlausu kolefni.
Í rannsókninni sem við erum að fara yfir í dag ákváðu vísindamennirnir að nota mildari aðferð til að rannsaka Au20, nefnilega skönnun jarðganga smásjár (STM) og skönnun jarðganga litrófsgreiningar (STS). Athugunarhlutirnir voru Au20 klasar á ofurþunnum NaCl filmum. STM gerði okkur kleift að staðfesta þríhyrningssamhverfu pýramídabyggingarinnar og STS gögn gerðu það mögulegt að reikna út HOMO-LUMO bilið, sem var allt að 2.0 eV.
Námsundirbúningur
NaCl lagið var ræktað á Au(111) hvarfefni með því að nota efnagufuútfellingu við 800 K í STM hólfi við aðstæður með ofurháu lofttæmi.
Au20 þyrpingajónir voru framleiddar í gegnum segulómsputtering uppsetningu og stærð valin með því að nota quadrupole massa síu. Sputtering uppspretta starfaði í samfelldri stillingu og framleiddi stórt brot af hlaðnum þyrpingum, sem síðan fóru inn í fjórpóla massasíuna. Valdir klasar voru settir á NaCl/Au(111) hvarfefni. Fyrir lágþéttni útfellingu var þyrpingarflæðið 30 pA (píkóampar) og útfellingartími var 9 mínútur; fyrir útfellingu með miklum þéttleika var það 1 nA (nanoampar) og 15 mínútur. Þrýstingurinn í hólfinu var 10-9 mbar.
Niðurstöður rannsókna
Massavaldir anjónískir Au20 klasar með mjög lágan þekjuþéttleika voru settir við stofuhita á ofurþunnar NaCl eyjar, þar á meðal 2L, 3L og 4L (atómlög).
Mynd #1
Á 1A Það má sjá að megnið af ræktuðu NaCl hefur þrjú lög, svæði með tveimur og fjórum lögum taka minna svæði og 5L svæði eru nánast fjarverandi.
Au20 klasar fundust á þriggja og fjögurra laga svæðum, en voru ekki í 2L. Þetta skýrist af því að Au20 getur farið í gegnum 2L NaCl, en þegar um 3L og 4L NaCl er að ræða er það haldið eftir á yfirborði þeirra. Við lágan húðþéttleika á svæðinu 200 x 200 nm sáust frá 0 til 4 þyrpingar án nokkurra merkja um Au20 þéttingu (uppsöfnun).
Vegna þess að viðnám 4L NaCl var of hátt og óstöðugleiki þegar einn Au20 var skannaður á 4L NaCl, einbeittu vísindamennirnir sér að því að rannsaka klasa á 3L NaCl.
Mynd #2
Smásjárgreining á þyrpingum í 3L NaCl sýndi að hæð þeirra er 0.88 ± 0.12 nm. Þessi tala er í frábæru samræmi við reiknilíkan niðurstöður, sem spáðu hæð 0.94 ± 0.01 nm (2A). Smásjárskoðun sýndi einnig að sumir klasar eru með þríhyrningslaga lögun með eitt útstæð atóm efst, sem í reynd staðfestir fræðilegar rannsóknir varðandi pýramídaform Au20 byggingunnar (2B).
Vísindamenn benda á að þegar þeir sjá mjög litla þrívíða hluti, eins og Au20 klasa, er afar erfitt að forðast ákveðna ónákvæmni. Til þess að fá sem nákvæmastar myndir (bæði frá atómfræðilegu og rúmfræðilegu sjónarhorni) var nauðsynlegt að nota ákjósanlega atómafræðilega skarpa Cl-virkja smásjá. Pýramídaform var auðkennt í tveimur þyrpingum (1V и 1S), þrívíddar myndir sem sýndar eru í 1D и 1E, í sömu röð.
Þrátt fyrir að þríhyrningslaga lögun og hæðardreifing sýni að útfelldu klasarnir viðhalda pýramídaformi, eru STM myndir (1V и 1S) sýna ekki fullkomna fjórþunga uppbyggingu. Stærsta hornið á myndinni 1V er um 78°. Og þetta er 30% meira en 60° fyrir tilvalið fjórþunga með Td samhverfu.
Það geta verið tvær ástæður fyrir þessu. Í fyrsta lagi er ónákvæmni í myndmynduninni sjálfri sem stafar bæði af því hversu flókið þetta ferli er og vegna þess að oddurinn á smásjánálinni er ekki stífur og það getur líka skekkt myndirnar. Önnur ástæðan er vegna innri röskunar á studdu Au20. Þegar Au20 þyrpingar með Td samhverfu lenda á ferhyrndri NaCl grind, skekkir samhverfu misræmið hina fullkomnu fjórþunga uppbyggingu Au20.
Til að komast að ástæðunni fyrir slíkum frávikum á myndunum greindu vísindamennirnir gögn um samhverfu þriggja bjartsýni Au20 mannvirkja á NaCl. Fyrir vikið kom í ljós að klasarnir eru aðeins örlítið brenglaðir frá hinni fullkomnu fjórþungabyggingu með Td samhverfu með hámarksfrávik í atómstöðum upp á 0.45. Þess vegna eru brenglun á myndunum afleiðing af ónákvæmni í myndferlinu sjálfu en ekki af neinum frávikum í útfellingu klasa á undirlaginu og/eða samspili þeirra á milli.
Ekki aðeins staðfræðileg gögn eru skýr merki um pýramídabyggingu Au20 þyrpingarinnar, heldur einnig nokkuð stórt HL bil (um 1.8 eV) miðað við önnur Au20 ísómerar* með minni orku (fræðilega undir 0.5 eV).
Isomers* - mannvirki sem eru eins í frumeindasamsetningu og mólþunga, en eru mismunandi í byggingu eða uppröðun atóma.
Greining á rafeiginleikum þyrpinga sem sett eru á undirlag með því að nota skönnunargöng litrófsgreiningu (1F) gerði það mögulegt að fá mismunaleiðnisvið (dI/dV) Au20 klasans, sem sýnir stórt bandbil (Eg) jafnt og 3.1 eV.
Þar sem þyrpingin er rafkljúf með einangrandi NaCl filmum myndast tvöfaldur hindrun jarðgangamóta (DBTJ) sem veldur eins rafeinda göngáhrifum. Þess vegna er ósamfellan í dI/dV litrófinu afleiðing af sameiginlegri vinnu skammtafjölda HL ósamfellunnar (EHL) og hinnar klassísku Coulomb orku (Ec). Mælingar á brotum á litrófinu sýndu frá 2.4 til 3.1 eV fyrir sjö klasa (1F). Ósamfellurnar sem sjást eru stærri en HL-ósamfellurnar (1.8 eV) í Au20 gasfasanum.
Breytileiki brota í mismunandi þyrpingum stafar af mæliferlinu sjálfu (staða nálarinnar miðað við þyrpinguna). Stærsta bilið sem mældist í dI/dV litrófinu var 3.1 eV. Í þessu tilviki var oddurinn staðsettur langt frá þyrpingunni, sem gerði rafrýmd milli oddsins og þyrpingarinnar minni en milli þyrpingarinnar og Au(111) undirlagsins.
Næst gerðum við útreikninga á HL-rofum á frjálsum Au20 klösum og þeim sem staðsettir eru á 3L NaCl.
Línurit 2C sýnir feril hermaþéttleika ástands fyrir gasfasa Au20 fjórþunga þar sem HL bilið er 1.78 eV. Þegar þyrpingin er staðsett á 3L NaCl/Au(111) eykst bjögun og HL bilið minnkar úr 1.73 í 1.51 eV, sem er sambærilegt við HL bilið upp á 2.0 eV sem fæst við tilraunamælingar.
Í fyrri rannsóknum kom í ljós að Au20 hverfur með Cs-samhverfa uppbyggingu hafa HL bil upp á um 0.688 eV og mannvirki með myndlausri samhverfu - 0.93 eV. Að teknu tilliti til þessara athugana og niðurstaðna mælinganna komust vísindamennirnir að þeirri niðurstöðu að stórt bandbil er aðeins mögulegt undir skilyrðum fjórþættrar pýramídabyggingar.
Næsta stig rannsóknarinnar var rannsókn á klasa-þyrpinga samskiptum, þar sem meira Au3 (aukinn þéttleiki) var settur á 111L NaCl/Au(20) hvarfefnið.
Mynd #3
Á myndinni 3A landfræðileg STM mynd af útfelldum þyrpingum er sýnd. Um 100 þyrpingar sjást á skönnunarsvæðinu (100 nm x 30 nm). Stærðir víxlverkandi þyrpinga á 3L NaCl eru annaðhvort stærri en eða jafnar stærðum þeirra sem rannsakaðar voru í tilraunum með staka þyrpingar. Þetta má útskýra með dreifingu og þéttingu (klumping) á yfirborði NaCl við stofuhita.
Uppsöfnun og vöxt klasa má skýra með tveimur leiðum: Ostwald-þroska (endurþétting) og Smoluchowski-þroska (stækkun eyja). Þegar um er að ræða Ostwald-þroska vaxa stærri klasar á kostnað smærri, þegar frumeindir hinna síðarnefndu eru aðskildar frá þeim og dreifast í nálægar. Við þroska Smoluchowski myndast stærri agnir vegna flutnings og þéttingar heilu klasanna. Eina tegund af þroska má greina frá annarri sem hér segir: með Ostwald-þroska stækkar dreifing klasastærða og er samfelld og með Smoluchowski-þroska er stærðinni dreift stakur.
Á töflunum 3V и 3S sýndar eru niðurstöður greiningar á meira en 300 klasa, þ.e. stærðardreifing. Bil þyrpingahæða er nokkuð breitt, en greina má þrjá hópa af þeim algengustu (3S): 0.85, 1.10 og 1.33 nm.
Eins og sést á línuritinu 3V, það er fylgni á milli gildis hæðar og breiddar klasans. Sýndarþyrpingar sýna einkenni Smoluchowski-þroska.
Það er líka fylgni á milli þyrpinga í tilraunum með háan og lágan útfellingarþéttleika. Þannig er hópur þyrpinga með 0.85 nm hæð í samræmi við einstaka þyrping með 0.88 nm hæð í tilraunum með lágþéttleika. Þess vegna var klösum úr fyrsta hópnum úthlutað gildinu Au20 og klösum úr þeim öðrum (1.10 nm) og þriðja (1.33 nm) fengu gildin Au40 og Au60, í sömu röð.
Mynd #4
Á myndinni 4A við getum séð sjónrænan mun á þremur flokkum klasa, dI/dV litróf þeirra eru sýnd á línuritinu 4V.
Þegar Au20 klasar renna saman í stærra orkubil í litrófinu minnkar dI/dV. Þannig fengust eftirfarandi ósamfellugildi fyrir hvern hóp: Au20—3.0 eV, Au40—2.0 eV og Au60—1.2 eV. Að teknu tilliti til þessara gagna, sem og staðfræðilegra mynda af hópunum sem rannsakaðir voru, má færa rök fyrir því að rúmfræði þyrpinga sé nær kúlulaga eða hálfkúlulaga.
Til að áætla fjölda atóma í kúlu- og hálfkúluþyrpingum er hægt að nota Ns = [(h/2)/r]3 og Nh = 1/2 (h/r)3, þar sem h и r tákna klasahæð og radíus eins Au atóms. Að teknu tilliti til Wigner-Seitz radíus gullatómsins (r = 0.159 nm), getum við reiknað fjölda þeirra fyrir kúlulaga nálgun: annar hópurinn (Au40) - 41 atóm, þriðji hópurinn (Au60) - 68 atóm. Í hálfkúlulaga nálguninni er áætlaður fjöldi atóma 166 og 273 marktækt hærri en í Au40 og Au60 í kúlulaga nálguninni. Þess vegna má draga þá ályktun að rúmfræði Au40 og Au60 sé kúlulaga frekar en hálfkúlulaga.
Fyrir frekari upplýsingar um blæbrigði rannsóknarinnar mæli ég með að skoða и til hans.
Eftirmáli
Í þessari rannsókn sameinuðu vísindamennirnir göngalófsgreiningu og smásjárskoðun, sem gerði þeim kleift að fá nákvæmari upplýsingar um rúmfræði þyrpinga gullatóma. Það kom í ljós að Au20 þyrpingin sem sett er á 3L NaCl/Au(111) hvarfefni heldur gasfasa pýramída uppbyggingu sinni með stóru HL bili. Það kom einnig í ljós að aðalháttur vaxtar og tengsla klasa í hópa er Smoluchowski-þroska.
Vísindamenn kalla eitt helsta afrek vinnu sinnar ekki svo mikið niðurstöður rannsókna á frumeindaþyrpingum, heldur frekar aðferðina við að framkvæma þessar rannsóknir. Áður var notast við rafeindasmásjá með flutningsskönnun sem vegna eiginleika sinna brenglaði niðurstöður athugana. Hins vegar gerir nýja aðferðin sem lýst er í þessari vinnu okkur kleift að fá nákvæmar upplýsingar.
Meðal annars, að rannsaka klasabyggingar gerir okkur kleift að skilja hvarfa- og ljóseiginleika þeirra, sem er afar mikilvægt fyrir notkun þeirra í klasahvata og ljóstækjum. Eins og er eru klasar þegar notaðir í efnarafala og kolefnisfanga. Hins vegar, samkvæmt vísindamönnum sjálfum, eru þetta ekki takmörkin.
Takk fyrir að lesa, vertu forvitin og eigið frábæra viku krakkar. 🙂
Nokkrar auglýsingar 🙂
Þakka þér fyrir að vera hjá okkur. Líkar þér við greinarnar okkar? Viltu sjá meira áhugavert efni? Styðjið okkur með því að leggja inn pöntun eða mæla með því við vini, , einstök hliðstæða upphafsþjóna, sem var fundið upp af okkur fyrir þig: (fáanlegt með RAID1 og RAID10, allt að 24 kjarna og allt að 40GB DDR4).
Dell R730xd 2x ódýrari í Equinix Tier IV gagnaveri í Amsterdam? Aðeins hér í Hollandi! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - frá $99! Lestu um
Heimild: www.habr.com