Electronic and Optical Properties of Gold Clusters with Carbene Ligands using Density Functional Theory Calculations

Abstract

In recent decades the investigation of ligand-protected metal nanoclusters has garnered significant attention due to their unique properties and molecule-like features. Protected gold clusters have been of particular interest, for which various stabilizing ligands such as phosphines, thiolates, carbenes, and halides have been used. N-heterocyclic carbenes have recently emerged as one of the most essential organic ligands due to their potential to form robust metal-ligand bonds. Recent research has focused on the special role of NHCs in stabilizing gold nanoclusters compared to other ligands. This study employed density functional theory methods to assess the electronic structures and optical absorption properties of ligand-protected metal nanoclusters. Furthermore, molecular dynamics simulations assisted in the recognition of structurally stable isomers. The outcomes presented in this thesis contribute to a broader comprehension on the properties of metal nanoclusters and set the groundwork for exploring novel forms of ligand-protected metal nanoclusters. Keywords: gold clusters, carbene ligands, density functional theory, molecular dynamics, electronic structure, optical absorption

Viime vuosikymmeninä molekyyleillä suojatut metallinanoklusterit ovat herättä-neet merkittävää kiinnostusta nanotieteissä niiden ainutlaatuisten ominaisuuksiensa takia. Erityisen huomion kohteena ovat olleet kultananoklusterit ja niiden suojaamiseksi onkin käytetty monia erilaisia orgaanisia molekyylejä, kuten fosfiineja, tiolaatteja, karbeeneja ja halideja. Näistä molekyyleistä N-heterosyklisten karbeenien on viime aikoina havaittu olevan erityisen mielenkiintoisia, koska ne muodostavat hyvin vahvoja sidoksia metallien kanssa. Viimeaikaiset tutkimukset ovat yrittäneet selvittää karbeenien erityistä luonnetta kultananoklustereiden stabiloinnissa verrattuna muun tyyppisiin suojaaviin molekyyleihin. Mainittuihin aiheisiin liittyen tässä väitöskirjatutkimuksessa käytettiin tiheysfunktionaaliteoriaa ligandisuojattujen metallinanoklustereiden elektronirakenteen ja optisten absorptio-ominaisuuksien tutkimiseen. Lisäksi molekyylidynamiikkasimulaatioi-den avulla pyrittiin löytämään ja tunnistamaan rakenteellisesti stabiileja vaihtoehtoisia klusterirakenteita eli klusteri-isomeereja. Tässä väitöskirjassa esitetyt tulokset edistävät metallinanoklustereiden ominaisuuksien ymmärrystä suuremmassa kuvassa ja luovat pohjaa täysin uusien ligandisuojattujen metallinanoklustereiden tutkimukselle. kultaklusterit, karbeeniligandit, tiheysfunktionaaliteoria, molekyylidynamiikka, elektronirakenne, optinen absorptio