ProHoster > Blogs > interneta ziņas > Piramīda sfēras vietā: nestandarta zelta atomu kopas

Piramīda sfēras vietā: nestandarta zelta atomu kopas

Piramīda sfēras vietā: nestandarta zelta atomu kopas

Apkārtējā pasaule ir daudzu dažādu zinātņu parādÄ«bu un procesu kopÄ«gs rezultāts, praktiski nav iespējams izcelt paÅ”u svarÄ«gāko. Neskatoties uz zināmu sāncensÄ«bu, daudziem dažu zinātņu aspektiem ir lÄ«dzÄ«gas iezÄ«mes. Ņemsim par piemēru Ä£eometriju: visam, ko mēs redzam, ir noteikta forma, no kurām viena no visizplatÄ«tākajām dabā ir aplis, aplis, sfēra, bumba (trends sejā). Vēlme bÅ«t sfēriskam izpaužas gan planētās, gan atomu kopās. Bet vienmēr ir izņēmums no noteikumiem. Zinātnieki no Lēvenas universitātes (Beļģija) atklāja, ka zelta atomi veido nevis sfēriskas, bet piramÄ«das kopas. Kas izraisa Å”o neparasto zelta atomu uzvedÄ«bu, kādas Ä«paŔības piemÄ«t vērtÄ«gajām piramÄ«dām un kā Å”o atklājumu var pielietot praksē? Par to mēs uzzinām no zinātnieku ziņojuma. Aiziet.

Pētījuma bāze

Neparastu zelta atomu kopu esamÄ«ba ir zināma jau ilgu laiku. Å Ä«m struktÅ«rām ir neparastas Ä·Ä«miskās un elektroniskās Ä«paŔības, tāpēc interese par tām gadu gaitā ir tikai pieaugusi. Lielākā daļa pētÄ«jumu ir vērsti uz izmēru atkarÄ«bu izpēti, taču Ŕādam pētÄ«jumam nepiecieÅ”ama kontrolēta sintēze un augstas precizitātes mērÄ«jumi.

Protams, ir dažādi klasteru veidi, bet vispopulārākais pētÄ«jumos ir Au20, tas ir, 20 zelta atomu kopa. Tās popularitāte ir saistÄ«ta ar tās ļoti simetriskumu tetraedrisks* struktÅ«ra un pārsteidzoÅ”i liela HOMO-LUMO (HL) pēc atstarpes (atstarpe)*.

Tetraedrs* - daudzskaldnis ar četriem trijstūriem kā skaldni. Ja vienu no skaldnēm uzskatām par pamatu, tad tetraedru var saukt par trīsstūrveida piramīdu.

HOMO-LUMO sprauga (atstarpe)* ā€” HOMO un LUMO ir molekulāro orbitāļu veidi (matemātiska funkcija, kas apraksta elektronu viļņu uzvedÄ«bu molekulā). HOMO apzÄ«mē visaugstāko aizņemto molekulāro orbitāli, un LUMO apzÄ«mē zemāko neaizņemto molekulāro orbitāli. PamatstāvoklÄ« esoŔās molekulas elektroni aizpilda visas orbitāles ar viszemāko enerÄ£iju. Orbitāli, kurai ir vislielākā enerÄ£ija starp piepildÄ«tajām, sauc par HOMO. Savukārt LUMO ir viszemākās enerÄ£ijas orbitāle. EnerÄ£ijas atŔķirÄ«bu starp Å”iem diviem orbitāļu veidiem sauc par HOMO-LUMO spraugu.

Au20 fotoelektronu spektroskopija parādīja, ka HOMO-LUMO sprauga ir 1.77, XNUMX eV.

Simulācijas, kas veiktas, pamatojoties uz blÄ«vuma funkcionālo teoriju (metode sistēmu elektroniskās struktÅ«ras aprēķināŔanai), parādÄ«ja, ka Ŕādu enerÄ£ijas starpÄ«bu var panākt tikai ar Td simetrijas tetraedrisku piramÄ«du (tetraedrisku simetriju), kas ir visstabilākā Ä£eometrija. Au20 klasteris.

Zinātnieki atzÄ«mē, ka iepriekŔējie pētÄ«jumi par Au20 deva ārkārtÄ«gi neprecÄ«zus rezultātus procesa sarežģītÄ«bas dēļ. IepriekÅ” tika izmantots transmisijas skenējoÅ”s elektronu mikroskops, lielā stara enerÄ£ija izkropļoja novērojumu rezultātus: tika novērota pastāvÄ«ga Au20 svārstÄ«ba starp dažādām konstrukcijas konfigurācijām. 5% iegÅ«to attēlu Au20 klasteris bija tetraedrisks, bet pārējos tā Ä£eometrija bija pilnÄ«bā nesakārtota. Tāpēc tetraedriskas Au20 struktÅ«ras esamÄ«bu uz substrāta, kas izgatavots, piemēram, no amorfā oglekļa, diez vai varētu saukt par XNUMX% pierādÄ«tu.

PētÄ«jumā, kuru mēs Å”odien pārskatām, zinātnieki nolēma izmantot saudzÄ«gāku metodi Au20 pētÄ«Å”anai, proti, skenÄ“Å”anas tunelÄ“Å”anas mikroskopiju (STM) un skenÄ“Å”anas tunelÄ“Å”anas spektroskopiju (STS). NovēroÅ”anas objekti bija Au20 kopas uz Ä«paÅ”i plānām NaCl plēvēm. STM ļāva mums apstiprināt piramÄ«das struktÅ«ras trÄ«sstÅ«rveida simetriju, un STS dati ļāva aprēķināt HOMO-LUMO spraugu, kas bija pat 2.0 eV.

SagatavoÅ”anās pētniecÄ«bai

NaCl slānis tika audzēts uz Au (111) substrāta, izmantojot Ä·Ä«misko tvaiku nogulsnÄ“Å”anos 800 K temperatÅ«rā STM kamerā Ä«paÅ”i augsta vakuuma apstākļos.

Au20 klasteru joni tika ražoti, izmantojot magnetrona izsmidzināŔanas iestatÄ«jumu, un izmērs tika izvēlēts, izmantojot kvadrupola masas filtru. IzsmidzināŔanas avots darbojās nepārtrauktā režīmā un radÄ«ja lielu daļu uzlādētu klasteru, kas pēc tam iekļuva kvadrupola masas filtrā. AtlasÄ«tie klasteri tika nogulsnēti uz NaCl / Au (111) substrāta. Zema blÄ«vuma nogulsnÄ“Å”anai klastera plÅ«sma bija 30 pA (pikoampēri) un nogulsnÄ“Å”anās laiks bija 9 minÅ«tes; augsta blÄ«vuma nogulsnÄ“Å”anai tas bija 1 nA (nanoampēri) un 15 minÅ«tes. Spiediens kamerā bija 10-9 mbar.

Pētījuma rezultāti

Masai atlasÄ«tas anjonu Au20 kopas ar ļoti zemu pārklājuma blÄ«vumu istabas temperatÅ«rā tika nogulsnētas uz Ä«paÅ”i plānām NaCl salām, ieskaitot 2L, 3L un 4L (atomu slāņus).

Piramīda sfēras vietā: nestandarta zelta atomu kopas
1. attēls

uz 1Š Redzams, ka lielākajai daļai izaudzētā NaCl ir trÄ«s slāņi, mazāku platÄ«bu aizņem laukumi ar diviem un četriem slāņiem, un 5L platÄ«bas praktiski nav.

Au20 kopas tika atrastas trīs un četru slāņu reģionos, bet 2L to nebija. Tas izskaidrojams ar to, ka Au20 var iziet cauri 2L NaCl, bet 3L un 4L NaCl gadījumā tas saglabājas uz to virsmas. Pie zema pārklājuma blīvuma 200 x 200 nm apgabalā tika novēroti no 0 līdz 4 klasteri bez Au20 aglomerācijas (akumulācijas) pazīmēm.

Sakarā ar pārāk augsto 4L NaCl pretestību un nestabilitāti, skenējot vienu Au20 uz 4L NaCl, zinātnieki koncentrējās uz klasteru izpēti uz 3L NaCl.

Piramīda sfēras vietā: nestandarta zelta atomu kopas
2. attēls

Kopu mikroskopija 3L NaCl parādÄ«ja, ka to augstums ir 0.88 Ā± 0.12 nm. Å is skaitlis lieliski saskan ar modelÄ“Å”anas rezultātiem, kas paredzēja augstumu 0.94 Ā± 0.01 nm (2Š). Mikroskopija arÄ« parādÄ«ja, ka dažiem klasteriem ir trÄ«sstÅ«ra forma ar vienu izvirzÄ«tu atomu augÅ”pusē, kas praksē apstiprina teorētiskos pētÄ«jumus par Au20 struktÅ«ras piramÄ«das formu (2B).

Zinātnieki atzÄ«mē, ka vizualizējot ārkārtÄ«gi mazus trÄ«sdimensiju objektus, piemēram, Au20 kopas, ir ārkārtÄ«gi grÅ«ti izvairÄ«ties no noteiktām neprecizitātēm. Lai iegÅ«tu visprecÄ«zākos attēlus (gan no atomu, gan Ä£eometriskā viedokļa), bija nepiecieÅ”ams izmantot ideāli atomiski asu Cl funkcionalizētu mikroskopa galu. PiramÄ«das forma tika identificēta divās kopās (1V Šø 1S), kuru trÄ«sdimensiju attēli ir parādÄ«ti 1D Šø 1E, attiecÄ«gi.

Lai gan trÄ«sstÅ«ra forma un augstuma sadalÄ«jums liecina, ka nogulsnētās kopas saglabā piramÄ«das formu, STM attēli (1V Šø 1S) neuzrāda perfektas tetraedriskas struktÅ«ras. Lielākais leņķis fotoattēlā 1V ir aptuveni 78Ā°. Un tas ir par 30% vairāk nekā 60Ā° ideālam tetraedram ar Td simetriju.

Tam var bÅ«t divi iemesli. Pirmkārt, paŔā attēlveidojumā ir neprecizitātes, ko izraisa gan Ŕī procesa sarežģītÄ«ba, gan arÄ« tas, ka mikroskopa adatas gals nav stingrs, un tas var arÄ« izkropļot attēlus. Otrs iemesls ir atbalstÄ«tā Au20 iekŔējie kropļojumi. Kad Au20 kopas ar Td simetriju nokrÄ«t uz kvadrātveida NaCl režģa, simetrijas neatbilstÄ«ba izkropļo Au20 ideālo tetraedrisko struktÅ«ru.

Lai noskaidrotu Ŕādu noviržu iemeslu fotogrāfijās, zinātnieki analizēja datus par trÄ«s optimizētu Au20 struktÅ«ru simetriju uz NaCl. Rezultātā tika konstatēts, ka klasteri ir tikai nedaudz izkropļoti no ideālās tetraedriskas struktÅ«ras ar Td simetriju ar maksimālo novirzi atomu pozÄ«cijās 0.45. Tāpēc attēlu izkropļojumus izraisa paÅ”a attēlveidoÅ”anas procesa neprecizitātes, nevis novirzes klasteru nogulsnÄ“Å”anā uz substrāta un/vai mijiedarbÄ«bas starp tām.

Ne tikai topogrāfiskie dati ir skaidras Au20 klastera piramīdas struktūras pazīmes, bet arī diezgan liela HL atstarpe (apmēram 1.8 eV) salīdzinājumā ar citiem Au20. izomēri* ar zemāku enerģiju (teorētiski zem 0.5 eV).

Izomēri* - struktÅ«ras, kas ir identiskas pēc atomu sastāva un molekulmasas, bet atŔķiras pēc savas struktÅ«ras vai atomu izvietojuma.

Uz substrāta nogulsnētu klasteru elektronisko Ä«paŔību analÄ«ze, izmantojot skenējoÅ”o tunelÄ“Å”anas spektroskopiju (1F) ļāva iegÅ«t Au20 klastera diferenciālās vadÄ«tspējas spektru (dI / dV), kas parāda lielu joslas spraugu (Eg), kas vienāda ar 3.1, XNUMX eV.

Tā kā kopu elektriski sadala izolējoŔās NaCl plēves, veidojas dubultbarjeras tuneļa savienojums (DBTJ), kas izraisa viena elektrona tunelÄ“Å”anas efektus. Tāpēc dI / dV spektra pārtraukums ir kvantu HL pārtraukuma (EHL) un klasiskās Kulona enerÄ£ijas (Ec) kopÄ«gā darba rezultāts. Spektra pārtraukumu mērÄ«jumi septiņiem klasteriem uzrādÄ«ja no 2.4 lÄ«dz 3.1 eV (1F). Novērotie pārtraukumi ir lielāki nekā HL pārtraukumi (1.8, 20 eV) AuXNUMX gāzes fāzē.

Pārtraukumu mainÄ«gums dažādos klasteros ir saistÄ«ts ar paÅ”u mērÄ«Å”anas procesu (adatas novietojumu attiecÄ«bā pret kopu). Lielākā atstarpe, kas izmērÄ«ta dI/dV spektros, bija 3.1 eV. Å ajā gadÄ«jumā uzgalis atradās tālu no klastera, kas padarÄ«ja elektrisko kapacitāti starp galu un kopu mazāku nekā starp kopu un Au (111) substrātu.

Tālāk mēs veicām brÄ«vo Au20 klasteru un uz 3L NaCl esoÅ”o klasteru HL plÄ«sumu aprēķinus.

2C diagrammā parādīta simulētā stāvokļu blīvuma līkne gāzes fāzes Au20 tetraedram, kura HL sprauga ir 1.78 eV. Kad klasteris atrodas uz 3L NaCl/Au (111), izkropļojumi palielinās un HL sprauga samazinās no 1.73 līdz 1.51 eV, kas ir salīdzināma ar HL spraugu 2.0 eV, kas iegūta eksperimentālos mērījumos.

IepriekŔējos pētÄ«jumos tika konstatēts, ka Au20 izomēriem ar Cs-simetrisku struktÅ«ru HL sprauga ir aptuveni 0.688 eV, bet struktÅ«rām ar amorfo simetriju - 0.93 eV. Ņemot vērā Å”os novērojumus un mērÄ«jumu rezultātus, zinātnieki nonāca pie secinājuma, ka liela joslu sprauga iespējama tikai tetraedriskas piramÄ«das struktÅ«ras apstākļos.

Nākamais pētījuma posms bija klasteru un klasteru mijiedarbības izpēte, kurai vairāk Au3 (palielināts blīvums) tika nogulsnēts uz 111L NaCl/Au(20) substrāta.

Piramīda sfēras vietā: nestandarta zelta atomu kopas
3. attēls

Uz attēla 3Š tiek parādÄ«ts deponēto kopu topogrāfiskais STM attēls. SkenÄ“Å”anas zonā (100 nm x 100 nm) tiek novērotas aptuveni 30 kopas. MijiedarbojoÅ”o klasteru izmēri uz 3L NaCl ir vai nu lielāki, vai vienādi ar tiem, kas pētÄ«ti eksperimentos ar atseviŔķām kopām. To var izskaidrot ar difÅ«ziju un aglomerāciju (klibuļiem) uz NaCl virsmas istabas temperatÅ«rā.

Klasteru uzkrāŔanās un augÅ”ana ir izskaidrojama ar diviem mehānismiem: Ostvalda nobrieÅ”anu (rekondensāciju) un Smoluchowski nogatavoÅ”anos (salu paplaÅ”ināŔanos). Ostvalda nogatavoÅ”anās gadÄ«jumā lielāki klasteri izaug uz mazāku rēķina, kad pēdējo atomi tiek atdalÄ«ti no tiem un izkliedējas blakus esoÅ”ajos. Smolučovska nogatavoÅ”anās laikā veselu klasteru migrācijas un aglomerācijas rezultātā veidojas lielākas daļiņas. Vienu nogatavināŔanas veidu no cita var atŔķirt Ŕādi: ar Ostvalda nogatavināŔanu klasteru izmēru sadalÄ«jums paplaÅ”inās un ir nepārtraukts, savukārt ar Smoluchowski nogatavināŔanu izmērs tiek sadalÄ«ts diskrēti.

Uz diagrammām 3V Šø 3S parādÄ«ti vairāk nekā 300 klasteru analÄ«zes rezultāti, t.i. izmēru sadalÄ«jums. Novēroto klasteru augstumu diapazons ir diezgan plaÅ”s, taču var izdalÄ«t trÄ«s biežāk sastopamās grupas (3S): 0.85, 1.10 un 1.33 nm.

Kā redzams grafikā 3V, pastāv korelācija starp klastera augstuma un platuma vērtÄ«bu. Novērotās klasteru struktÅ«ras parāda Smoluchowski nobrieÅ”anas pazÄ«mes.

Pastāv arÄ« korelācija starp kopām augsta un zema nogulsnÄ“Å”anās blÄ«vuma eksperimentos. Tādējādi klasteru grupa ar augstumu 0.85, 0.88 nm atbilst atseviŔķam klasterim ar 20, 1.10 nm augstumu eksperimentos ar zemu blÄ«vumu. Tāpēc pirmās grupas klasteriem tika pieŔķirta vērtÄ«ba Au1.33, bet klasteriem no otrās (40 nm) un treŔās (60 nm) tika pieŔķirtas attiecÄ«gi vērtÄ«bas AuXNUMX un AuXNUMX.

Piramīda sfēras vietā: nestandarta zelta atomu kopas
4. attēls

Attēlā 4Š mēs varam redzēt vizuālas atŔķirÄ«bas starp trim klasteru kategorijām, kuru dI/dV spektri ir parādÄ«ti grafikā 4V.

Kad Au20 kopas saplÅ«st lielākā enerÄ£ijas spraugā spektrā, dI / dV samazinās. Tādējādi katrai grupai tika iegÅ«tas Ŕādas pārtraukuma vērtÄ«bas: Au20-3.0 eV, Au40-2.0 eV un Au60-1.2 eV. Ņemot vērā Å”os datus, kā arÄ« pētÄ«to grupu topogrāfiskos attēlus, var apgalvot, ka klasteru aglomerātu Ä£eometrija ir tuvāka sfēriskai vai puslodeskai.

Lai novērtētu atomu skaitu sfēriskās un puslodes klasteros, varat izmantot Ns = [(h/2)/r]3 un Nh = 1/2 (h/r)3, kur h Šø r apzÄ«mē viena Au atoma kopas augstumu un rādiusu. Ņemot vērā VÄ«gnera-Seica rādiusu zelta atomam (r = 0.159 nm), mēs varam aprēķināt to skaitu sfēriskajai tuvināŔanai: otrā grupa (Au40) - 41 atoms, treŔā grupa (Au60) - 68 atomi. Puslodes tuvinājumā aptuvenais atomu 166 un 273 skaits ir ievērojami lielāks nekā Au40 un Au60 sfēriskajā tuvinājumā. LÄ«dz ar to var secināt, ka Au40 un Au60 Ä£eometrija ir drÄ«zāk sfēriska, nevis puslodes forma.

Lai sÄ«kāk aplÅ«kotu pētÄ«juma nianses, iesaku ieskatÄ«ties ziņo zinātnieki Šø Papildu materiāli viņam.

Epilogs

Å ajā pētÄ«jumā zinātnieki apvienoja skenÄ“Å”anas tunelÄ“Å”anas spektroskopiju un mikroskopiju, kas ļāva iegÅ«t precÄ«zākus datus par zelta atomu kopu Ä£eometriju. Tika konstatēts, ka Au20 klasteris, kas nogulsnēts uz 3L NaCl/Au (111) substrāta, saglabā savu gāzes fāzes piramÄ«das struktÅ«ru ar lielu HL atstarpi. Tika arÄ« konstatēts, ka galvenais izaugsmes mehānisms un klasteru apvienoÅ”anās grupās ir Smoluchowski nobrieÅ”ana.

Zinātnieki par vienu no galvenajiem sava darba sasniegumiem sauc ne tik daudz atomu kopu pētÄ«jumu rezultātus, bet gan Å”o pētÄ«jumu veikÅ”anas metodi. IepriekÅ” tika izmantots transmisijas skenējoÅ”s elektronu mikroskops, kas savu Ä«paŔību dēļ deformēja novērojumu rezultātus. Taču Å”ajā darbā aprakstÄ«tā jaunā metode ļauj iegÅ«t precÄ«zus datus.

Cita starpā klasteru struktÅ«ru izpēte ļauj izprast to katalÄ«tiskās un optiskās Ä«paŔības, kas ir ārkārtÄ«gi svarÄ«gas to izmantoÅ”anai klasteru katalizatoros un optiskās ierÄ«cēs. PaÅ”laik kopas jau tiek izmantotas kurināmā elementos un oglekļa uztverÅ”anā. Tomēr, pēc paÅ”u zinātnieku domām, tas nav ierobežojums.

Paldies, ka lasÄ«jāt, esiet ziņkārÄ«gs un lai jums lieliska nedēļa, puiÅ”i. šŸ™‚

Dažas reklāmas šŸ™‚

Paldies, ka palikāt kopā ar mums. Vai jums patīk mūsu raksti? Vai vēlaties redzēt interesantāku saturu? Atbalsti mūs, pasūtot vai iesakot draugiem, mākoņa VPS izstrādātājiem no 4.99 USD, unikāls sākuma līmeņa serveru analogs, ko mēs jums izgudrojām: Visa patiesība par VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 kodoli) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps no 19$ vai kā koplietot serveri? (pieejams ar RAID1 un RAID10, līdz 24 kodoliem un līdz 40 GB DDR4).

Dell R730xd 2x lētāk Equinix Tier IV datu centrā Amsterdamā? Tikai Å”eit 2x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV no 199$ NÄ«derlandē! Dell R420 ā€” 2x E5-2430 2.2 GHz 6C 128 GB DDR3 2x960 GB SSD 1 Gbps 100 TB ā€” no 99 USD! LasÄ«t par Kā izveidot infrastruktÅ«ras uzņēmumu klase ar Dell R730xd E5-2650 v4 serveru izmantoÅ”anu 9000 eiro par santÄ«mu?

Avots: www.habr.com

Pievieno komentāru