Rivic, Filip (2024)
Einfluss der Größe und Zusammensetzung auf die dielektrischen und magnetischen Eigenschaften von reinen und dotierten Tetrelclustern. Molekularstrahlablenkexperimente in Kombination mit quantenchemischen Rechnungen.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00027799
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

In der vorliegenden Arbeit werden die dielektrischen und magnetischen Eigenschaften von reinen und dotierten neutralen Clustern aus Elementen der vierten Hauptgruppe des Periodensystems, die als Tetrele bezeichnet werden, in kryogenen Molekularstrahlablenkexperimenten systematisch in Abhängigkeit ihrer Größe und chemischer Zusammensetzung studiert. Durch die Untersuchung im Hochvakuum lassen sich die intrinsischen Eigenschaften der Cluster isoliert und unabhängig von Einflüssen der chemischen Umgebung bestimmen. Über die experimentelle Bestimmung des permanenten elektrischen Dipolmoments wird das strukturelle Wachstum der reinen Cluster analysiert, wobei bei den dotierten Clustern die magnetischen Eigenschaften im Fokus stehen. Vor allem stellt sich hierbei die Frage, unter welchen Voraussetzungen eine Aufspaltung des Clusterstrahls in diskrete Strahlkomponenten im Stern-Gerlach-Experiment stattfindet. Durch die Kopplung des Elektronenspins mit der Rotation des Clusters kann dieses Verhalten in der Regel nicht beobachtet werden, da es zur Spinrelaxation im Magnetfeld kommt. Die experimentellen Ergebnisse zu den dielektrischen und magnetischen Eigenschaften werden in Kombination mit quantenchemischen Rechnungen basierend auf der Dichtefunktionaltheorie interpretiert. Die beobachteten effektiven Polarisierbarkeiten von reinen Tetrelclustern mit über 30 Atomen, bestehend aus Si und Ge, liegen deutlich über dem Wert einer kleinen Kugel mit den dielektrischen Eigenschaften des entsprechenden Volumenmaterials. Für Si-Cluster wird sogar beobachtet, dass die Polarisierbarkeiten pro Atom mit der Größe der Cluster zunehmen, was darauf zurückzuführen ist, dass die Cluster trotz ihrer quasi-sphärischen Struktur permanente elektrische Dipolmomente besitzen. Nur im Fall von Pb-Clustern tendieren die gemessenen dielektrischen Eigenschaften ab einer Größe von etwa 50 Atomen gegen den Wert des Festkörpers. Es wird angenommen, dass diese Cluster Strukturen ausbilden, die Fragmenten der Festkörperstruktur ähneln. Eine detaillierte Untersuchung der geometrischen Struktur von kleineren Si- und Ge-Clustern zeigt, dass das Clusterwachstum bis zu einer Größe von etwa 30 Atomen eindimensional über prolate Strukturen erfolgt, die aus stabilen, sich wiederholenden Strukturbausteinen bestehen. Für die Untersuchung der magnetischen Eigenschaften werden diamagnetische Sn-Cluster von etwa 10 bis 15 Atomen einfach mit paramagnetischen Atomen dotiert. Die Dotierung mit 3d-Übergangsmetallen zeigt dabei, dass die magnetischen Eigenschaften nicht nur vom paramagnetischen Dotierungsatom, sondern auch von der Anzahl der diamagnetischen Sn-Atome abhängen. Hierfür sind hauptsächlich Änderungen in der Spinmultiplizität die Ursache, die auch durch das Auswechseln des Dotierungsatoms auftreten. Bei der Dotierung von Sn-Clustern mit Triel-Atomen konnte für einen Teil der untersuchten Spezies superatomares Verhalten beobachtet werden. Hierbei wurde herausgearbeitet, wie die lokale Symmetrie im Cluster den g-Faktor beeinflusst, und damit erstmals experimentell gezeigt, welche Auswirkung die Spin-Bahn-Kopplung für das Auftreten des superatomaren Verhaltens hat. Im Rahmen dieser Arbeit wurden neben den bisher etablierten Verfahren zur Messung der elektrischen und magnetischen Ablenkung auch neue Methoden entwickelt, bei denen die magnetischen und elektrischen Felder in Kombination genutzt werden. Damit ist es möglich, die entsprechenden Ablenkexperimente an selektierten Fraktionen des Molekularstrahls durchzuführen und erstmals aufzuzeigen, wie der Stark- und Zeeman-Effekt bei molekularen Clustern zusammenhängen. Es konnte damit eindeutig nachgewiesen werden, dass für manche Cluster zwei Strukturisomere gleichzeitig im Molekularstrahl existieren. Die hier gezeigten Untersuchungen an einer Vielzahl von reinen und dotierten Systemen geben somit einen detaillierten Einblick in das Zusammenwirken von geometrischer und elektronischer Struktur mit den magnetischen Eigenschaften in Abhängigkeit der Größe und Zusammensetzung von Tetrelclustern.

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