Towards the geometrical structure of supported size-selected clusters and nanoparticles by X-ray scattering

Abstract

Nanostructures are known to be promising candidates for investigation due to their unique size-dependent properties. In particular, nanoclusters of noble metals have generated a lot of interest from the scientific community, as well as from industry, due to their possible applications in medicine, ecology, and nanoelectronics. The exhibited physical and chemical properties of such clusters are strongly influenced by their size and morphology, therefore the investigation of the geometrical structure is of high importance. This thesis describes the investigation of the geometrical structure of deposited bimetallic Au/Ag clusters (consisting of several thousand atoms per cluster) and ultrasmall size-selected Aun clusters (n=5, 7, 9, 11). Both of these systems were studied experimentally, using as the main method Grazing Incidence Small-Angle X-ray Scattering (GISAXS) at the beamline P03, PETRA III, DESY. Bimetallic clusters of Au/Ag were investigated in real time and compared with pure metals in similar conditions demonstrated differences from both. At 10 nm effective thickness the radius of the bimetallic clusters was shown to be close to that of Au, while the shape tends to flatten similarly to Ag. The percolation threshold was determined to be 3 nm, which was at a much earlier stage than of pure metals. The bimetallic clusters demonstrate a higher reflectance at the 400-800 nm wavelength range than pure materials, which shows that tuning the material ratio in a compound material can exhibit useful properties for possible applications. Ultrasmall size-selected Aun clusters were prepared using a soft-landing scheme and capped with a protective Al layer, which allowed for ex situ investigation by GISAXS in combination with X-ray Fluorescence (XRF). Radii and possible shapes of Au9 and Au11 could be estimated using a model-based approach together with X-ray experimental techniques.

Nanostrukturierte Materalien gelten aufgrund ihrer einzigartigen, größenabhängigen Eigenschaften als vielversprechende Objekte in der Grundlagenforschung. Insbesondere Nanocluster von Edelmetallen haben aufgrund ihrer Anwendungsmöglichkeiten in der Medizin, Ökologie und Nanoelektronik großes Interesse in der Wissenschaft und in der Industrie geweckt. Die spezifischen physikalischen und chemischen Eigenschaften von Nanoclustern werden stark von ihrer Größe und Morphologie beeinflusst, daher ist insbesondere die Untersuchung der geometrischen Struktur von großer Bedeutung. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Untersuchung der geometrischen Struktur von abgeschiedenen bimetallischen Au/Ag-Clustern (bestehend aus mehreren tausend Atomen pro Cluster) und ultrakleinen Aun-Clustern (n=5, 7, 9, 11). Beide Systeme wurden experimentell untersucht, wobei als Hauptmethode die Grazing Incidence Small-Angle X-ray Scattering (GISAXS) am Strahlrohr P03, PETRA III, DESY verwendet wurde. Die geometriche Struktur von bimetallische Cluster von Au/Ag wurden im Vergleich zu reinen Metallen in Echtzeit unter ähnlichen Bedingungen untersucht und zeigten speifische Unterschiede. Bei einer effektiven Dicke von 10nm zeigte sich, dass der Radius der bimetallischen Cluster nahe an dem von Au liegt, während die Form dazu neigt, sich ähnlich wie bei Ag zu verflachen. Die Perkolationsschwelle wurde auf 3nm bestimmt. Diese Schwelle liegt bei kleineren Abständen als bei reinen Metallen. Die bimetallischen Cluster weisen im Wellenlängenbereich von 400-800 nm eine höhere Reflexion auf als reine Materialien. Dies zeigt, dass über die Wahl des Materialverhältnisses in einem Verbundmaterial seine Eigenschaften für mögliche Anwendungen in einem bestimmten Rahmen gewählt werden können. Aun Nanocluster mit definierter Größe n wurden nach einem Soft-Landing-Schema hergestellt und mit einer schützenden Al-Schicht versehen, was eine Ex situ-Untersuchung durch GISAXS in Kombination mit Röntgenfluoreszenz (XRF) ermöglichte. Radien und mögliche Formen von Au9 und Au11 konnten mit einem modellbasierten Ansatz in Verbindung mit röntgentechnischen Experimentiertechniken bestimmt werden.