Abstract
Transition metal carbide clusters are produced in the gas phase with a laser vaporization cluster source and characterized by various mass spectrometry and laser techniques. Two related classes of clusters are studied, those with an M8C12 stoichiometry and those with an M14C13 stoichiometry. This review describes the conditions necessary to produce these clusters and experiments undertaken to measure their properties, including the measurement of mass spectral distributions, laser and collisional dissociation experiments, gas phase chemisorption, and photoionization experiments. Theoretical descriptions of the bonding in these systems are also discussed as are the comparisons of the results of theory to experimental measurements. The promise for isolation of metal carbide clusters in macroscopic quantities is explored.
Similar content being viewed by others
REFERENCES
H. N. Kroto, J. R. Heath, S. C. O'Brien, R. F. Curl and R. E. Smalley (1985). Nature 318, 162.
H. Kroto (1988). Science 242, 1139.
R. F. Curl and R. E. Smalley (1988). Science 242, 1017.
W. Krätschmer, L. D. Lamb, K. Fostirpoulos, and D. R. Huffman (1990). Nature 347, 354.
R. F. Curl and R. E. Smalley (1991). Sci. Am. 265, 54.
Y. Chai, T. Guo, C. Jin, R. E. Haufler, L. P. F. Chibante, J. Fure, L. Wang, J. M. Alford, and R. E. Smalley (1991). J. Phys. Chem. 91, 7564.
H. Shinohara, H. Sato, Y. Saito, M. Ohkochi, and Y. Ando (1992). J Phys. Chem. 96, 3571.
H. Shinohara, H. Yamaguchi, N. Hayashi, H. Sato, M. Ohkohchi, Y. Ando, and Y. Saito (1993). J. Phys. Chem. 97, 4259.
S. Bandow, H. Shinohara, Y. Saito, M. Ohkohchi, and Y. Ando (1993). J. Phys. Chem. 7, 6101.
S. W. McElvany (1992). J. Phys. Chem. 96, 4935.
E. G. Gillan, C. Yeretzian, K. S. Min. M. M. Alvarez, R. L. Whetten, and R. B. Kaner (1992). J. Phys. Chem. 96, 6869.
K. Tanigaki, T. W. Ebbesen, S. Saito, J. Mizuki, J. S. Tsai, Y. Kubo, and S. Kuroshima (1991). Nature 352, 222.
J. E. Fischer, P. A. Heiney, and A. B. Smith (1992). Acc. Chem. Res. 25, 112.
R. S. Ruoff, D. C. Lorents, B. Chan, R. Malhota, and S. Subramoney (1993). Science 259, 346.
L. Moro, R. S. Ruoff, C. H. Becher, D. C. Lorents, and R. Malhotra (1993). J. Phys. Chem. 97, 6801.
S. Ijima (1991). Nature 354, 56.
T. W. Ebbesen and P. M. Ajayan (1992). Nature 358, 220.
M. Ge and K. Sattler (1993). Science 260, 515.
T. W. Ebbesen (1996). Physics Today 49, 26.
W. A. de Heer, W. S. Bacsa, A. Chatelain, T. Gerfin, R. Humphrey-Baker, L. Forro, and D. Ugarte (1995). Science 268, 845.
T. Guo, P. Nikolaev, A. Thess, D. T. Colbert, and R. E. Smalley (1995). Chem. Phys. Lett. 243, 49.
A. Thess, R. Lee, P. Nikolaev, H. Dai, P. Petit, J. Robert, C. Xu, Y. H. Lee, S. G. Kim, A. G. Rinzler, D. T. Colbert, G. E. Scuseria, D. Tomanek, J. E. Fischer, and R. E. Smalley (1996). Science 246, 483.
P. M. Ajayan, O. Stephan, P. Redlich, and C. Colliex (1995). Nature 375, 564; (b) P. M. Ajayan and S. Ijima (1993). Nature 361, 333.
A. M. Rao, P. Zhou, K. A. Wang, G. T. Hager, J. M. Holden, Y. Wang, W. T. Lee, X. X. Bi, P. C. Eklund, D. S. Cornett, M. A. Duncan, and I. J. Amster (1993). Science 259, 955; (b) D. S. Cornett, I. J. Amster, M. A. Duncan, A. M. Rao, and P. C. Eklund (1993). J. Phys. Chem. 97, 5036.
A. F. Hebard, M. J. Rosseinsky, R. C. Hadden, D. W. Murphy, S. H. Glarum, T. T. M. Palstra, A. P. Ramirez, and A. P. Kortan (1991). Nature 350, 600.
M. L. Steigerwald, A. P. Alivisatos, J. M. Gibson, T. D. Harris, R. Kortan, A. J. Muller, A. M. Thayer, T. M. Duncan, D. C. Douglass, and L. E. Brus (1988). J. Am. Chem. Soc. 110, 3046.
R. L. Whetten, J. T. Khoury, M. M. Alvarez, S. Murthy, I. Vezmar, and Z. L. Wang (1996). Adv. Mater. 8, 428.
R. P. Andres, J. D. Bielefeld, J. I. Henderson, D. B. James, V. R. Kolagunta, C. P. Kubiak, W. J. Mahoney, and R. G. Osifichin (1996). Science 276, 1690.
B. C. Guo, K. P. Kerns and A. W. Castleman, Jr. (1992). Science 255, 1411; (b) B. C. Guo, S. Wei, J. Purnell, S. Buzza, and A. W. Castleman, Jr. (1992). Science 256, 515; (c) S. Wei, B. C. Guo, J. Purnell, S. Buzza, and A. W. Castleman, Jr. (1992). Science 256, 818; (d) S. Wei, B. C. Guo, J. Purnell, S. Buzza, and A. W. Castleman, Jr. (1992). J. Phys. Chem. 96, 4166; (e) S. F. Cartier, Z. Y. Chen, G. J. Walder, C. R. Sleppy, and A. W. Castleman, Jr.(1993). Science 260, 195.
J. S. Pilgrim and M. A. Duncan (1993). J. Am. Chem. Soc. 115, 6958.
S. F. Cartier, B. D. May and A. W. Castleman, Jr. (1994). J. Chem. Phys. 100, 5384; (b) S. F. Cartier, B. D. May, and A. W. Castleman, Jr. (1994). J. Am. Chem. Soc. 116, 5295; (c) H. T. Deng, B. C. Guo, K. P. Kerns, and A. W. Castleman, Jr. (1994). Int. J. Mass Spectrosc. Ion Proc. 138, 275.
J. S. Pilgrim and M. A. Duncan (1993). J. Am. Chem. Soc. 115, 9724.
B. C. Guo, S. Wei, Z. Chen, K. P. Kerns, J. Purnell, S. Buzza, and A. W. Castleman, Jr. (1992). J. Chem. Phys. 97, 5243.
Z. Y. Chen, B. C. Guo, B. D. May, S. F. Cartier, and A. W. Castleman, Jr. (1992). Chem. Phys. Lett. 198, 118.
Z. Y. Chen, G. J. Walder, and A. W. Castleman, Jr. (1992). J. Phys. Chem. 96, 9581.
S. F. Cartier, B. D. May, B. J. Toleno, J. Purnell, S. Wei, and A. W. Castleman, Jr. (1994). Chem. Phys. Lett. 2220, 23.
B. C. Guo and A. W. Castleman, Jr. (1994). in (M. A. Duncan, ed.) Advances in Metal and Semiconductor Clusters, Vol. 2 (JAI Press, Greenwich, CT), p. 137.
Y. Yamada and A.-W. Castleman, Jr. (1993). Chem. Phys. Lett. 204, 133.
J. E. Reddic and M. A. Duncan (1997). Chem. Phys. Lett. 264, 157; (b) J. S. Pilgrim, L. R. Brock, K. Berry, and M. A. Duncan (unpublished results).
S. Wei, B. C. Guo, J. Purnell, S. Buzza, and A. W. Castleman, Jr. (1992). J. Phys. Chem. 96, 4166.
S. Wei, B. C. Guo, H. T. Deng, K. P. Kerns, J. Purnell, S.A. Buzza, and A. W. Castleman, Jr. (1994). J. Am. Chem. Soc. 116, 4475.
J. S. Pilgrim, L. R. Brock, and M. A. Duncan (1995). J. Phys. Chem. 99, 544.
J. S. Pilgrim and M. A. Duncan (1994). Int. J. Mass Spect. Ion Proc. 138, 283.
J. S. Pilgrim and M. A. Duncan (1995). in M. A. Duncan (ed.), Advances in Metal and Semiconductor Clusters, Vol. 3 (JAI Press, Greenwich, CT) p. 118.
S. Z. Kan, S. A. Lee and B. S. Freiser (1996). J. Mass Spectr. 31, 62; (b) Y. G. Byun, C. S. Yeh, Y. C. Xu and B. S. Freiser (1995). J. Am. Chem. Soc. 117, 8299.
T. P. Martin (1983). Phys. Rep. 95, 167.
R. L. Whetten (1993). Acc. Chem. Res. 26, 49.
P. J. Ziemann and A. W. Castleman, Jr. (1991). J. Chem. Phys. 94, 718.
Z. Y. Chen and A. W. Castleman, Jr. (1993). J. Chem. Phys. 98, 231; (b) H. T. Cheng, K. P. Kerns, and A. W. Castleman, Jr. (1996). J. Phys. Chem. 100, 13386.
A. Cottrell, Chemical Bonding Transition Metal Carbides (The Institute of Materials, London, 1995).
S. Wei and A. W. Castleman. Jr. (1994). Chem. Phys. Lett. 227, 305.
L. Pauling (1992). Proc. Natl. Acad. Sci U.S.A. 89, 8175.
Z. Lin and M. B. Hall (1992). J. Am. Chem. Soc. 114, 10054; (b) Z. Lin and M. B. Hall (1992). J. Am. Chem. Soc. 115, 11165.
M. M. Rohmer, P. de Vaal, and M. Benard (1992). J. Am. Chem. Soc. 114, 9696; (b) M. M. Rohmer, C. Henriet, C. Bo, and J. P. Poblet (1993). J. Chem. Soc. Chem. Commun. 1182; (c) J. M. Poblet, C. Bo, M. M. Rohmer, and M. Benard (1996). Chem. Phys. Lett. 260, 577; (d) M. Benard, M. M. Rohmer, J. M. Poblet, and C. Bo (1995). J. Phys. Chem. 99, 16913.
B. V. Reddy, S. N. Khanna, and P. Jena (1992). Science 258, 1640; (b) S. N. Khanna (1995). Phys Rev. B 51, 10965.
P. J. Hay (1993). J. Phys. Chem. 97, 3081.
B. V. Reddy and S. N. Khanna (1993). Chem. Phys. Lett. 209, 104.
H. Chen, M. Feyereisen, X. P. Long, and G. Fitzgerald (1993). Phys. Rev. Lett. 71, 1732.
R. Grimes and J. D. Gale (1993). J. Phys. Chem. 97, 4616.
L. Lou, T. Guo, P. Nordlander, and R. E. Smalley (1993). J. Chem. Phys. 99, 5301.
A. Khan (1993). J. Phys. Chem. 97, 10937; (b) A. Khan (1995). Chem. Phys. Lett. 247, 447.
I. G. Dance (1992). J. Chem. Soc. Chem. Commun. 1992, 1779; (b) I. G. Dance (1993). J. Chem. Soc. Chem. Commun. 1993, 1306; (c) I. G. Dance (1993). J. Am. Chem. Soc. 115, 11052; (d) I. G. Dance (1996). J. Am. Chem. Soc. 118, 2699; (e) I. G. Dance (1996). J. Am. Chem. Soc. 118, 6309.
L. Lou and P. Nordlander (1994). Chem. Phys. Lett. 224, 439; (b) L. Lou and P. Nordlander (private communication).
B. V. Reddy and S. N. Khanna (1994). J. Phys. Chem. 98, 9446.
Z. Li, B. Gu, R. Han, and Q. Zheng (1993). Z. Phys. D 27, 275.
M. M. Rohmer, M. Benard, C. Bo, and J. M. Poblet (1995). J. Am. Chem. Soc. 117, 508.
G. Scuseria (private communication); (b) M. D. Hack, R. G. A. R. Maclagan, G. E. Scuseria, and M. S. Gordon (1996). J. Chem. Phys. 104, 6628.
I. G. Dance (1993). Austr. J. Chem. 46, 727.
B. C. Guo, K. P. Kerns, and A. W. Castleman, Jr. (1993). J. Am. Chem. Soc. 115, 7415; (b) H. T. Deng, B. C. Guo, K. P. Kerns, and A. W. Castleman, Jr. (1994). J. Phys. Chem. 98, 13373; (c) H. T. Deng, K. P. Kerns, and A. W. Castleman, Jr. (1996). J. Am. Chem. Soc. 118, 446.
C. S. Yeh, S. Afzaal, S. A. Lee, Y. Byun, and B. S. Freiser (1994). J. Am. Chem. Soc. 116, 8806; (b) Y. G. Byun, S. A. Lee, S. Z. Khan and B. S. Freiser (1996). J. Phys. Chem. 100, 14281; (c) Y. G. Byun and B. S. Freiser (1996). J. Am. Chem. Soc. 118, 3681.
C. S. Yeh, Y. G. Byun, S. Afzaal, S. Z. Kan, S. Lee, B. S. Freiser, and P. J. Hay (1995). J. Am. Chem. Soc. 117, 4042.
E. K. Parks, K. Liu, S. C. Richtsmeier, L. G. Pobo, and S. J. Riley (1985). J. Chem. Phys. 82, 5470.
M. T. Bowers (1994). Acc. Chem. Res. 27, 324; (b) G. von Helden, N. G. Gotts, P. Maitre, and M. T. Bowers (1994). Chem. Phys. Lett. 227, 601; (c) S. Lee, N. G. Gotts, G. von Helden. and M. T. Bowers (1995). Science 267, 999.
J. S. Pilgrim and M. A. Duncan (1993). J. Am. Chem. Soc. 115, 4395.
S. Wei, B. C. Guo, J. Purnell, S. A. Buzza, and A. W. Castleman. Jr. (1993). J. Phys. Chem. 97, 9559.
K. P. Kerns, B. C. Guo, H. T. Deng, and A. W. Castleman, Jr. (1994). J. Chem. Phys. 101, 8529; (b) K. P. Kerns, B. C. Guo, H. T. Deng, and A. W. Castleman, Jr. (1996). J. Phys. Chem. 100, 16817.
F. Tast, N. Malinowski, S. Frank, M. Heinebrodt, I. M. L. Billas, and T. P. Martin (1996). Phys. Rev. Lett. 77, 3529.
L. R. Brock and M. A. Duncan (1996). J. Phys. Chem. 100, 5654.
L.-S. Wang, S. Li, and H. Wu (1996). J. Phys. Chem. 100, 19211.
C. Jin, R. E. Haufler, R. L. Hettich, C. M. Barshick, R. N. Compton, A. A. Puretzky, A. V. Demyanenko, and A. A. Tuinman (1994). Science 263, 68.
B. D. May, S. F. Cartier, and A. W. Castleman, Jr. (1995). Chem. Phys. Lett. 242, 265; (b) S. F. Cartier, B. D. May, and A. W. Castleman, Jr. (1996). J. Chem. Phys. 104, 3423.
S. F. Cartier, Z. Y. Chen, G. J. Walder, C. R. Sleppy, and A. W. Castleman, Jr. (1993). Science 260, 195.
R. E. Haufler, J. Conceicao, L. P. F. Chibante, Y. Chai, N. E. Byrne, S. Flanagan, M. M. Haley, S. C. O'Brien, C. Pan, Z. Xiao, W. E. Billups, M. A. Ciufolini, R. H. Hauge, J. L. Margrave, L. J. Wilson, R. F. Curl, and R. E. Smalley (1990). J. Phys. Chem. 94, 8634; (b) Y. Chai, T. Guo, J. Changming, R. E. Haufler, L. P. F. Chibante, J. Fure, L. S. Wang, J. M. Alford, and R. E. Smalley (1991). J. Phys. Chem. 95, 7564.
A. S. Koch, K.C. Khemani, and F. Wudl (1991). J. Org. Chem. 56, 4543.
Author information
Authors and Affiliations
Corresponding author
Rights and permissions
About this article
Cite this article
Duncan, M.A. Synthesis and Characterization of Metal–Carbide Clusters in the Gas Phase. Journal of Cluster Science 8, 239–266 (1997). https://doi.org/10.1023/A:1022636108778
Issue Date:
DOI: https://doi.org/10.1023/A:1022636108778