Sahoo, Sanjubala:

Ab initio study of free and deposited transition metal clusters

Duisburg, Essen (2011), 163 S.
Dissertation / Fach: Physik
Fakultät für Physik
Duisburg, Essen, Univ., Diss., 2011
Abstract:
Übergangsmetallcluster nehmen einen wichtigen Platz in der Klasse der Materialien für Anwendungen im Nanobereich ein. Übergangsmetallcluster besitzen, zusätzlich zu weiteren ungewöhnlichen Eigenschaften aufgrund ihrer Cluster-Form, den Vorteil magnetische Momente zu entwickeln. Das Ziel dieser Arbeit ist die Eigenschaften von Clustern und der damit zusammenhängenden Phänomene zu untersuchen. Die physikalischen Eigenschaften von Clustern sind eine geeignete Grundlage um Quanteneffekte zu studieren, die in niedrigen Dimensionen dominieren. Da sich die Eigenschaften der Cluster nicht mit empirischen Ansätzen einfach beschreiben lassen ist es notwendig, parameterfreie first-principles Methoden zu verwenden. In dieser Arbeit kommt der Dichtefunktional Gesamtenergieformalismus im Rahmen des Kohn-Sham-Ansatzes zum Einsatz. Die Vielteilchen-Korrelations-effekte werden im Rahmen der verallgemeinerten Gradienten Approximation (GGA) behandelt, die sehr erfolgreich für die Beschreibung von Materialien, insbesondere Metalle, eingesetzt wird.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Grundzustandsstrukturen von elementaren und binären Übergangsmetallclustern verschiedener Größen untersucht. Eine der wichtigsten Beobachtungen ist hierbei, dass die ikosaedrische Geometrie eine der stabilsten Formen für elementare 13-Atom (Fe, Co, Ni) Cluster ist. Für alle untersuchten Größen sind leichte strukturelle Verzerrungen präsent, die auf dem Jahn-Teller-Effekt beruhen. Dieser tritt stärker in Fe-Clustern als in Ni- und Co-Clustern auf. Für größere Fe-Cluster mit regelmäßiger ikosaedrischer Geometrie relaxiert der Kern des Clusters in Richtung einer kuboktaedrischen Geometrie. Ebenfalls untersucht wurde die Entwicklung des magnetischen Momentes mit der Clustergröße. Die Cluster besitzen ein erhöhtes magnetisches Moment, dessen Größe sich umgekehrt zur Clustergröße verhält. Der berechnete Zusammenhang stimmt gut mit experimentellen Resultaten überein.

Ein weiteres wichtiges Ziel der Untersuchung binärer Cluster ist das Verständnis der gitterplatzspezifischen Besetzung der atomaren Spezies in mehrkomponentigen (hier binären) Clustern. Dazu wurde die Konkurrenz zwischen chemischer Ordnung und Segregation in binären Fe-(Co, Ni, Pt) und Co-(Pt, Mn) Clustern mit ikosaedrischer Struktur untersucht. Für verschiedene Zusammensetzungen wurde die energetisch günstigste Verteilung der konstituierenden Elemente berechnet. Aufbauend auf der so bestimmten Struktur mit der niedrigsten Energie, wurde das zusammensetzungsabhängige Mischungsverhalten der Elemente untersucht. Das qualitative Verhalten der Mischungsenergie eines 13-Atom Fe-Ni-Clusters stellt sich in Bezug auf die Zusammensetzung als sehr ähnlich zu dem des Festkörpers heraus. Dabei zeigt sich, dass Ni zur Besetzung der Oberflächenplätze (Segregationstendenz) im Fe-reichen wie auch im Ni-reichen Zusammensetzungsbereich tendiert. Das erscheint als allgemeiner Trend, der in dieser Arbeit für 13- und 55-Atom-Cluster verifiziert werden konnte.

Ebenfalls untersucht wurden magnetische Eigenschaften wie das Bahnmoment und die magnetische Anisotropie für freie und deponierte Cluster. Hierzu wurden, ikosaedrische Cluster mit 13 und 55 Atomen bestehend aus Fe, Ni und Co auf Pt(111) und Pt(001) Substraten deponiert. Sowohl die freien, wie auch die deponierten Cluster zeichnen sich durch eine große magnetische Anisotropie im Vergleich zu den entsprechenden Festkörper-Materialien aus. Die winkelaufgelöste Anisotropie-Energie (gemeint ist der Winkel zwischen Magnetisierung und Spin-Quantisierungsachse) wurde im Rahmen der DFT berechnet. An diese Ergebnisse wurden die Parameter eines klassischen Heisenberg-Modells mit Anisotropieterm gefittet. Für relaxierte Cluster werden im Vergleich zu perfekten Strukturen aufgrund der strukturellen Symmetriebrechung große Anisotropie-Energien gefunden.

Abgesehen von ihren strukturellen und magnetischen Eigenschaften sind Übergangsmetallcluster attraktive Kandidaten für katalytische Anwendungen. Im Prinzip können die katalytischen Eigenschaften durch Bestimmung der Aktivierungsbarriere für verschiedene Reaktionspfade im Rahmen der Nugded-elastic-band-Method untersucht werden. In der Literatur existieren Studien der katalytischen Eigenschaften von Übergangsmetallclustern (z.B. Fe oder Pt) im Bezug auf die Oxidation von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Oxidation von Kohlenmonoxid auf Graphen mit dem Ziel untersucht, die Rolle der Übergangsmetallcluster im Hinblick auf eine Reduzierung der Aktivierungsbarriere der chemischen Reaktion zu verstehen und mögliche Reaktionspfade abzuleiten. Bislang konnte der Adsoptionsplatz eines CO-Moleküls auf freien und Graphen-unterstützten Clustern im Rahmen der Genauigkeit der GGA bestimmt werden.

Um die magnetischen Eigenschaften bei endlichen Temperaturen besser zu verstehen, wurden vier bis 13-Atom Cluster im Rahmen des quantenmechanischen Heisenbergmodells mit nächster-Nachbar-Spin-Wechselwirkung exakt diagonalisiert. Die Rolle der Dipolwechselwirkung und radialer Anisotro-pieterme, die nicht vernachlässigbare Beiträge für Cluster haben, wurden im Heisenberg-Hamiltonian berücksichtigt. Für antiferromagnetische Cluster wurden - im Gegensatz zu ferromagnetische wechselwirkenden Clustern - Unstetigkeiten in der Magnetisierung als Funktion des externen Magnetfeldes gefunden. Zusätzlich wurden für diese Cluster Grundzustand und temperaturabhängige Spin-Spin-Korrelationsfunktionen berechnet.

Die Ergebnisse dieser Arbeit für elementare und binäre Cluster, wie die Größenabhängigkeit struktureller und magnetischer Eigenschaften, die zusammensetzungsabhängige Verteilung der Atome in mehrkomponentigen Clustern (Segregation), magnetische Anisotropie freischwebender und deponierter Übergangsmetallcluster können beitragen, das Verständnis der Clusterphysik im Allgemeinen voranzubringen und Hilfestellungen für experimentelle Arbeiten bieten.