Skip to main content
Log in

Synthesis and Characterization of Metal–Carbide Clusters in the Gas Phase

  • Published:
Journal of Cluster Science Aims and scope Submit manuscript

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.

This is a preview of subscription content, log in via an institution to check access.

Access this article

Price excludes VAT (USA)
Tax calculation will be finalised during checkout.

Instant access to the full article PDF.

Similar content being viewed by others

REFERENCES

  1. H. N. Kroto, J. R. Heath, S. C. O'Brien, R. F. Curl and R. E. Smalley (1985). Nature 318, 162.

    Google Scholar 

  2. H. Kroto (1988). Science 242, 1139.

    Google Scholar 

  3. R. F. Curl and R. E. Smalley (1988). Science 242, 1017.

    Google Scholar 

  4. W. Krätschmer, L. D. Lamb, K. Fostirpoulos, and D. R. Huffman (1990). Nature 347, 354.

    Google Scholar 

  5. R. F. Curl and R. E. Smalley (1991). Sci. Am. 265, 54.

    Google Scholar 

  6. 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.

    Google Scholar 

  7. H. Shinohara, H. Sato, Y. Saito, M. Ohkochi, and Y. Ando (1992). J Phys. Chem. 96, 3571.

    Google Scholar 

  8. H. Shinohara, H. Yamaguchi, N. Hayashi, H. Sato, M. Ohkohchi, Y. Ando, and Y. Saito (1993). J. Phys. Chem. 97, 4259.

    Google Scholar 

  9. S. Bandow, H. Shinohara, Y. Saito, M. Ohkohchi, and Y. Ando (1993). J. Phys. Chem. 7, 6101.

    Google Scholar 

  10. S. W. McElvany (1992). J. Phys. Chem. 96, 4935.

    Google Scholar 

  11. E. G. Gillan, C. Yeretzian, K. S. Min. M. M. Alvarez, R. L. Whetten, and R. B. Kaner (1992). J. Phys. Chem. 96, 6869.

    Google Scholar 

  12. K. Tanigaki, T. W. Ebbesen, S. Saito, J. Mizuki, J. S. Tsai, Y. Kubo, and S. Kuroshima (1991). Nature 352, 222.

    Google Scholar 

  13. J. E. Fischer, P. A. Heiney, and A. B. Smith (1992). Acc. Chem. Res. 25, 112.

    Google Scholar 

  14. R. S. Ruoff, D. C. Lorents, B. Chan, R. Malhota, and S. Subramoney (1993). Science 259, 346.

    Google Scholar 

  15. L. Moro, R. S. Ruoff, C. H. Becher, D. C. Lorents, and R. Malhotra (1993). J. Phys. Chem. 97, 6801.

    Google Scholar 

  16. S. Ijima (1991). Nature 354, 56.

    Google Scholar 

  17. T. W. Ebbesen and P. M. Ajayan (1992). Nature 358, 220.

    Google Scholar 

  18. M. Ge and K. Sattler (1993). Science 260, 515.

    Google Scholar 

  19. T. W. Ebbesen (1996). Physics Today 49, 26.

    Google Scholar 

  20. W. A. de Heer, W. S. Bacsa, A. Chatelain, T. Gerfin, R. Humphrey-Baker, L. Forro, and D. Ugarte (1995). Science 268, 845.

    Google Scholar 

  21. T. Guo, P. Nikolaev, A. Thess, D. T. Colbert, and R. E. Smalley (1995). Chem. Phys. Lett. 243, 49.

    Google Scholar 

  22. 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.

    Google Scholar 

  23. 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.

    Google Scholar 

  24. 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.

    Google Scholar 

  25. 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.

    Google Scholar 

  26. 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.

    Google Scholar 

  27. R. L. Whetten, J. T. Khoury, M. M. Alvarez, S. Murthy, I. Vezmar, and Z. L. Wang (1996). Adv. Mater. 8, 428.

    Google Scholar 

  28. 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.

    Google Scholar 

  29. 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.

    Google Scholar 

  30. J. S. Pilgrim and M. A. Duncan (1993). J. Am. Chem. Soc. 115, 6958.

    Google Scholar 

  31. 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.

    Google Scholar 

  32. J. S. Pilgrim and M. A. Duncan (1993). J. Am. Chem. Soc. 115, 9724.

    Google Scholar 

  33. 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.

    Google Scholar 

  34. Z. Y. Chen, B. C. Guo, B. D. May, S. F. Cartier, and A. W. Castleman, Jr. (1992). Chem. Phys. Lett. 198, 118.

    Google Scholar 

  35. Z. Y. Chen, G. J. Walder, and A. W. Castleman, Jr. (1992). J. Phys. Chem. 96, 9581.

    Google Scholar 

  36. S. F. Cartier, B. D. May, B. J. Toleno, J. Purnell, S. Wei, and A. W. Castleman, Jr. (1994). Chem. Phys. Lett. 2220, 23.

    Google Scholar 

  37. 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.

    Google Scholar 

  38. Y. Yamada and A.-W. Castleman, Jr. (1993). Chem. Phys. Lett. 204, 133.

    Google Scholar 

  39. 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).

    Google Scholar 

  40. S. Wei, B. C. Guo, J. Purnell, S. Buzza, and A. W. Castleman, Jr. (1992). J. Phys. Chem. 96, 4166.

    Google Scholar 

  41. 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.

    Google Scholar 

  42. J. S. Pilgrim, L. R. Brock, and M. A. Duncan (1995). J. Phys. Chem. 99, 544.

    Google Scholar 

  43. J. S. Pilgrim and M. A. Duncan (1994). Int. J. Mass Spect. Ion Proc. 138, 283.

    Google Scholar 

  44. 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.

    Google Scholar 

  45. 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.

    Google Scholar 

  46. T. P. Martin (1983). Phys. Rep. 95, 167.

    Google Scholar 

  47. R. L. Whetten (1993). Acc. Chem. Res. 26, 49.

    Google Scholar 

  48. P. J. Ziemann and A. W. Castleman, Jr. (1991). J. Chem. Phys. 94, 718.

    Google Scholar 

  49. 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.

    Google Scholar 

  50. A. Cottrell, Chemical Bonding Transition Metal Carbides (The Institute of Materials, London, 1995).

    Google Scholar 

  51. S. Wei and A. W. Castleman. Jr. (1994). Chem. Phys. Lett. 227, 305.

    Google Scholar 

  52. L. Pauling (1992). Proc. Natl. Acad. Sci U.S.A. 89, 8175.

    Google Scholar 

  53. 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.

    Google Scholar 

  54. 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.

    Google Scholar 

  55. B. V. Reddy, S. N. Khanna, and P. Jena (1992). Science 258, 1640; (b) S. N. Khanna (1995). Phys Rev. B 51, 10965.

    Google Scholar 

  56. P. J. Hay (1993). J. Phys. Chem. 97, 3081.

    Google Scholar 

  57. B. V. Reddy and S. N. Khanna (1993). Chem. Phys. Lett. 209, 104.

    Google Scholar 

  58. H. Chen, M. Feyereisen, X. P. Long, and G. Fitzgerald (1993). Phys. Rev. Lett. 71, 1732.

    Google Scholar 

  59. R. Grimes and J. D. Gale (1993). J. Phys. Chem. 97, 4616.

    Google Scholar 

  60. L. Lou, T. Guo, P. Nordlander, and R. E. Smalley (1993). J. Chem. Phys. 99, 5301.

    Google Scholar 

  61. A. Khan (1993). J. Phys. Chem. 97, 10937; (b) A. Khan (1995). Chem. Phys. Lett. 247, 447.

    Google Scholar 

  62. 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.

    Google Scholar 

  63. L. Lou and P. Nordlander (1994). Chem. Phys. Lett. 224, 439; (b) L. Lou and P. Nordlander (private communication).

    Google Scholar 

  64. B. V. Reddy and S. N. Khanna (1994). J. Phys. Chem. 98, 9446.

    Google Scholar 

  65. Z. Li, B. Gu, R. Han, and Q. Zheng (1993). Z. Phys. D 27, 275.

    Google Scholar 

  66. M. M. Rohmer, M. Benard, C. Bo, and J. M. Poblet (1995). J. Am. Chem. Soc. 117, 508.

    Google Scholar 

  67. 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.

  68. I. G. Dance (1993). Austr. J. Chem. 46, 727.

    Google Scholar 

  69. 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.

    Google Scholar 

  70. 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.

    Google Scholar 

  71. 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.

    Google Scholar 

  72. E. K. Parks, K. Liu, S. C. Richtsmeier, L. G. Pobo, and S. J. Riley (1985). J. Chem. Phys. 82, 5470.

    Google Scholar 

  73. 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.

    Google Scholar 

  74. J. S. Pilgrim and M. A. Duncan (1993). J. Am. Chem. Soc. 115, 4395.

    Google Scholar 

  75. S. Wei, B. C. Guo, J. Purnell, S. A. Buzza, and A. W. Castleman. Jr. (1993). J. Phys. Chem. 97, 9559.

    Google Scholar 

  76. 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.

    Google Scholar 

  77. F. Tast, N. Malinowski, S. Frank, M. Heinebrodt, I. M. L. Billas, and T. P. Martin (1996). Phys. Rev. Lett. 77, 3529.

    Google Scholar 

  78. L. R. Brock and M. A. Duncan (1996). J. Phys. Chem. 100, 5654.

    Google Scholar 

  79. L.-S. Wang, S. Li, and H. Wu (1996). J. Phys. Chem. 100, 19211.

    Google Scholar 

  80. 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.

    Google Scholar 

  81. 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.

    Google Scholar 

  82. S. F. Cartier, Z. Y. Chen, G. J. Walder, C. R. Sleppy, and A. W. Castleman, Jr. (1993). Science 260, 195.

    Google Scholar 

  83. 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.

    Google Scholar 

  84. A. S. Koch, K.C. Khemani, and F. Wudl (1991). J. Org. Chem. 56, 4543.

    Google Scholar 

Download references

Author information

Authors and Affiliations

Authors

Corresponding author

Correspondence to Michael A. Duncan.

Rights and permissions

Reprints 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

Download citation

  • Issue Date:

  • DOI: https://doi.org/10.1023/A:1022636108778

Navigation