We report a joint experimental and theoretical study on the structures of a series of gold clusters doped with a sulfur atom, AuxS (x = 2−5). Well-resolved photoelectron spectra are obtained and compared with theoretical results calculated using several density functional methods to elucidate the structures and bonding of AuxS (x = 2−5). Au2S is found to have an asymmetric linear global minimum structure with C∞v symmetry, while the most stable structure of neutral Au2S is bent with C2v symmetry, reminiscent of H2S. Au3S is found to have an asymmetric bent structure with an Au–S–Au–Au connectivity. Two isomers are observed experimentally to co-exist for Au4S: a symmetric bent 1D structure (C2v) and a 2D planar low-lying isomer (Cs). The global minimum of Au5S is found to be a highly stable planar triangular structure (C2v). Thus, a 1D-to-2D structural transition is observed in the AuxS clusters as a function of x at x = 4. Molecular orbital analyses are carried out to obtain insight into the nature of the chemical bonding in the S-doped gold clusters. Strong covalent bonding between S and Au is found to be responsible for the 1D structures of AuxS (x = 2−4), whereas delocalized Au−Au interactions favor the 2D planar structure for the larger Au5S cluster.

1.
P.
Pyykkö
,
Angew. Chem., Int. Ed.
43
,
4412
(
2004
).
2.
P.
Pyykkö
,
Inorg. Chim. Acta
358
,
4113
(
2005
).
4.
G. J.
Hutchings
,
M.
Brust
, and
H.
Schmidbaur
,
Chem. Soc. Rev.
37
(
9
),
1759
(
2008
) [Special issue: Gold – Chemistry, Materials and Catalysis].
5.
J.
Ho
,
K. M.
Ervin
, and
W. C.
Lineberger
,
J. Chem. Phys.
93
,
6987
(
1990
).
6.
K. J.
Taylor
,
C.
Jin
,
J.
Conceicao
,
L. S.
Wang
,
O.
Cheshnovsky
,
B. R.
Johnson
,
P. J.
Nordlander
, and
R. E.
Smalley
,
J. Chem. Phys.
93
,
7515
(
1990
).
7.
K. J.
Taylor
,
C. L.
Pettiettehall
,
O.
Cheshnovsky
, and
R. E.
Smalley
,
J. Chem. Phys.
96
,
3319
(
1992
).
8.
H.
Handschuh
,
G.
Gantefor
,
P. S.
Bechthold
, and
W.
Eberhardt
,
J. Chem. Phys.
100
,
7093
(
1994
).
9.
H.
Schmidbaur
,
Chem. Soc. Rev.
24
,
391
(
1995
).
10.
I. L.
Garzon
,
K.
Michaelian
,
M. R.
Beltran
,
A.
Posada-Amarillas
,
P.
Ordejon
,
E.
Artacho
,
D.
Sanchez-Portal
, and
J. M.
Soler
,
Phys. Rev. Lett.
81
,
1600
(
1998
).
11.
H.
Schmidbaur
,
Nature (London)
413
,
31
(
2001
).
12.
F.
Furche
,
R.
Ahlrichs
,
P.
Weis
,
C.
Jacob
,
S.
Gilb
,
T.
Bierweiler
, and
M. M.
Kappes
,
J. Chem. Phys.
117
,
6982
(
2002
).
13.
S.
Gilb
,
P.
Weis
,
F.
Furche
,
R.
Ahlrichs
, and
M. M.
Kappes
,
J. Chem. Phys.
116
,
4094
(
2002
).
14.
H.
Hakkinen
,
M.
Moseler
, and
U.
Landman
,
Phys. Rev. Lett.
89
,
033401
(
2002
).
15.
H.
Hakkinen
,
B.
Yoon
,
U.
Landman
,
X.
Li
,
H. J.
Zhai
, and
L. S.
Wang
,
J. Phys. Chem. A
107
,
6168
(
2003
).
16.
J.
Li
,
X.
Li
,
H.-J.
Zhai
, and
L.-S.
Wang
,
Science
299
,
864
(
2003
).
17.
S.
Gilb
,
K.
Jacobsen
,
D.
Schooss
,
F.
Furche
,
R.
Ahlrichs
, and
M. M.
Kappes
,
J. Chem. Phys.
121
,
4619
(
2004
).
18.
H.
Hakkinen
,
M.
Moseler
,
O.
Kostko
,
N.
Morgner
,
M. A.
Hoffmann
, and
B. v.
Issendorff
,
Phys. Rev. Lett.
93
,
093401
(
2004
).
19.
S.
Bulusu
,
X.
Li
,
L. S.
Wang
, and
X. C.
Zeng
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
103
,
8326
(
2006
).
20.
S.
Bulusu
and
X. C.
Zeng
,
J. Chem. Phys.
125
,
154305
(
2006
).
21.
X. P.
Xing
,
Y.
Bokwon
,
U.
Landman
, and
J. H.
Parks
,
Phys. Rev. B
74
,
165423
(
2006
).
22.
A.
Lechtken
,
D.
Schooss
,
J. R.
Stairs
,
M. N.
Blom
,
F.
Furche
,
N.
Morgner
,
O.
Kostko
,
B. v.
Issendorff
, and
M. M.
Kappes
,
Angew. Chem., Int. Ed.
46
,
2944
(
2007
).
23.
X.
Li
,
S.
Bulusu
,
L. S.
Wang
, and
X. C.
Zeng
,
J. Phys. Chem. C
111
,
4190
(
2007
).
24.
S.
Bulusu
,
X.
Gu
,
X.
Li
,
X. C.
Zeng
,
Jun
Li
,
X. G.
Gong
, and
L. S.
Wang
,
J. Phys. Chem. C
111
,
8228
(
2007
).
25.
H.
Hakkinen
,
Chem. Soc. Rev.
37
,
1847
(
2008
).
26.
M. P.
Johansson
,
A.
Lechtken
,
D.
Schooss
,
M. M.
Kappes
, and
F.
Furche
,
Phys. Rev. A
77
,
053202
(
2008
).
27.
W.
Huang
,
M.
Ji
,
C. D.
Dong
,
X.
Gu
,
L. M.
Wang
,
X. G.
Gong
, and
L. S.
Wang
,
ACS Nano
2
,
897
(
2008
).
28.
L.
Ferrighi
,
B.
Hammer
, and
G. K. H.
Madsen
,
J. Am. Chem. Soc.
131
,
10605
(
2009
).
29.
W.
Huang
and
L. S.
Wang
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
11
,
2663
(
2009
).
30.
A.
Lechtken
,
C.
Neiss
,
M. M.
Kappes
, and
D.
Schooss
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
11
,
4344
(
2009
).
31.
M.
Mantina
,
R.
Valero
, and
D. G.
Truhlar
,
J. Chem. Phys.
131
,
064706
(
2009
).
32.
A.
Yang
,
W.
Fa
, and
J.
Dong
,
Phys. Lett. A
374
,
4506
(
2010
).
33.
W.
Huang
,
N.
Shao
,
Y.
Gao
,
L. M.
Wang
,
X.
Li
,
L. S.
Wang
, and
X. C.
Zeng
,
J. Am. Chem. Soc.
132
,
6596
(
2010
).
34.
A.
Roldan
,
J. M.
Ricart
,
F.
Illas
, and
G.
Pacchioni
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
12
,
10723
(
2010
).
35.
D.
Schooss
,
P.
Weis
,
O.
Hampe
, and
M. M.
Kappes
,
Philos. Trans. R. Soc. London, Ser. A
368
,
1211
(
2010
).
36.
R. W.
Burgess
and
V. J.
Keast
,
J. Phys. Chem. C
115
,
21016
(
2011
).
37.
H. S.
De
,
S.
Krishnamurty
,
D.
Mishra
, and
S.
Pal
,
J. Phys. Chem. C
115
,
17278
(
2011
).
38.
D. E.
Jiang
and
M.
Walter
,
Phys. Rev. B
84
,
193402
(
2011
).
39.
Y.
Dong
,
M.
Springborg
, and
I.
Warnke
,
Theor. Chem. Acc.
130
,
1001
(
2011
).
40.
D. X.
Tian
,
J.
Li
,
Y.
Zhao
,
J. J.
Zhao
, and
X. Y.
Guo
,
Comput. Mater. Sci.
50
,
2359
(
2011
).
41.
R.
Pal
,
L. M.
Wang
,
W.
Huang
,
L. S.
Wang
, and
X. C.
Zeng
,
J. Chem. Phys.
134
,
054306
(
2011
).
42.
C.
Briones-Jurado
,
P.
de la Mora
, and
E.
Agacino-Valdes
,
Int. J. Quantum Chem.
112
,
3646
(
2012
).
43.
J. V.
Koppen
,
M.
Hapka
,
M. M.
Szczesniak
, and
G.
Chalasinski
,
J. Chem. Phys.
137
,
114302
(
2012
).
44.
R.
Lei
and
C.
Longjiu
,
Comput. Theor. Chem.
984
,
142
(
2012
).
45.
L. M.
Wang
and
L. S.
Wang
,
Nanoscale
4
,
4038
(
2012
).
46.
B.
Pauwels
,
G. V.
Tendeloo
,
E.
Zhurkin
,
M.
Hou
,
G.
Verschoren
,
L. T.
Kuhn
,
W.
Bouwen
, and
P.
Lievens
,
Phys. Rev. B
63
,
165406
(
2001
).
47.
S.
Neukermans
,
E.
Janssens
,
H.
Tanaka
,
R. E.
Silverans
, and
P.
Lievens
,
Phys. Rev. Lett.
90
,
033401
(
2003
).
48.
H.
Tanaka
,
S.
Neukermans
,
E.
Janssens
,
R. E.
Silverans
, and
P.
Lievens
,
J. Chem. Phys.
119
,
7115
(
2003
).
49.
X.
Li
,
B.
Kiran
,
H. J.
Zhai
,
L. F.
Cui
, and
L. S.
Wang
,
Angew. Chem., Int. Ed.
43
,
2125
(
2004
).
50.
H. J.
Zhai
,
J.
Li
, and
L. S.
Wang
,
J. Chem. Phys.
121
,
8369
(
2004
).
51.
H. J.
Zhai
,
B.
Kiran
, and
L. S.
Wang
,
J. Chem. Phys.
121
,
8231
(
2004
).
52.
X.
Li
,
B.
Kiran
,
L. F.
Cui
, and
L. S.
Wang
,
Phys. Rev. Lett.
95
,
253401
(
2005
).
53.
Y.
Gao
,
S.
Bulusu
, and
X. C.
Zeng
,
Chem. Phys. Chem.
7
,
2275
(
2006
).
54.
H. J.
Zhai
,
L. S.
Wang
,
D. Y.
Zubarev
, and
A. I.
Boldyrev
,
J. Phys. Chem. A
110
,
1689
(
2006
).
55.
H. W.
Ghebriel
and
A.
Kshirsagar
,
J. Chem. Phys.
126
,
244705
(
2007
).
56.
N.
Veldeman
,
E.
Janssens
,
K.
Hansen
,
J.
De Haeck
,
R. E.
Silverans
, and
P.
Lievens
,
Faraday Discuss.
138
,
147
(
2008
).
57.
L. M.
Wang
,
R.
Pal
,
W.
Huang
,
X. C.
Zeng
, and
L. S.
Wang
,
J. Chem. Phys.
130
,
051101
(
2009
).
58.
L.-M.
Wang
,
J.
Bai
,
A.
Lechtken
,
W.
Huang
,
D.
Schooss
,
M. M.
Kappes
,
X. C.
Zeng
, and
L. S.
Wang
,
Phys. Rev. B
79
,
033413
(
2009
).
59.
L. M.
Wang
,
R.
Pal
,
W.
Huang
,
X. C.
Zeng
, and
L. S.
Wang
,
J. Chem. Phys.
132
,
114306
(
2010
).
60.
L.
Ling
,
P.
Claes
,
T.
Holtzl
,
E.
Janssens
,
T.
Wende
,
R.
Bergmann
,
G.
Santambrogio
,
G.
Meijer
,
K. R.
Asmis
,
N. M.
Tho
, and
P.
Lievens
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
12
,
13907
(
2010
).
61.
S.
Nigam
and
C.
Majumder
,
J. Phys.: Condens. Matter
22
,
435001
(
2010
).
62.
A. H.
Pakiari
and
Z.
Jamshidi
,
J. Phys. Chem. A
114
,
9212
(
2010
).
63.
L. S.
Wang
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
12
,
8694
(
2010
).
64.
H. J.
Zhai
,
C. Q.
Miao
,
S. D.
Li
, and
L. S.
Wang
,
J. Phys. Chem. A
114
,
12155
(
2010
).
65.
J. d.
Haeck
,
N.
Veldeman
,
P.
Claes
,
E.
Janssens
,
M.
Andersson
, and
P.
Lievens
,
J. Phys. Chem. A
115
,
2103
(
2011
).
66.
D.
Die
,
X. Y.
Kuang
,
B.
Zhu
, and
J. J.
Guo
,
Physica B
406
,
3160
(
2011
).
67.
G. X.
Ge
,
H. X.
Yan
,
Q.
Jing
, and
J. J.
Zhang
,
Acta Phys. Sin.
60
,
033101
(
2011
).
68.
J. X.
Yi
,
J. J.
Guo
, and
D.
Dong
,
Comput. Theor. Chem.
963
,
435
(
2011
).
70.
Y.
Li
,
Y. P.
Cao
,
Y. F.
Li
,
S. P.
Shi
, and
X. Y.
Kuang
,
Eur. Phys. J. D
66
,
10
(
2012
).
71.
F.
Rabilloud
,
J. Phys. Chem. A
116
,
3474
(
2012
).
72.
H. J.
Zhai
,
C.
Burgel
,
V.
Bonacic-Koutecky
, and
L. S.
Wang
,
J. Am. Chem. Soc.
130
,
7244
(
2008
).
73.
C.
Majumder
and
S. K.
Kulshreshtha
,
Phys. Rev. B
73
,
155427
(
2006
).
74.
G.
Bravo-Pereza
and
I. L.
Garzon
,
J. Mol. Struct.
619
,
79
(
2002
).
75.
J. M.
Seminario
,
C. E.
de la Cruz
, and
P. A.
Derosa
,
J. Am. Chem. Soc.
123
,
5616
(
2001
).
76.
X.
Wang
,
B.
Liang
, and
L.
Andrews
,
Dalton Trans.
2009
,
4190
.
77.
T.
Rietmann
,
S.
Sohn
,
M.
Schröder
,
D.
Lipinsky
, and
H. F.
Arlinghaus
,
Appl. Surf. Sci.
252
,
6640
(
2006
).
78.
T.
Ichino
,
A. J.
Gianola
,
D. H.
Andrews
, and
W. C.
Lineberger
,
J. Phys. Chem. A
108
,
11307
(
2004
).
79.
W. J.
Huang
,
Z. Y.
Liu
,
R. B.
Huang
, and
L. S.
Zheng
,
Acta Chim. Sin.
56
,
200
(
1998
).
80.
C. G.
Ning
,
X. G.
Xiong
,
Y. L.
Wang
,
J.
Li
, and
L. S.
Wang
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
14
,
9323
(
2012
).
81.
Y.
Pei
,
N.
Shao
,
H.
Li
,
D. E.
Jiang
, and
X. C.
Zeng
,
ACS Nano
5
,
1441
(
2011
).
82.
M.
Zhang
,
S.
Chen
,
Q. M.
Deng
,
L. M.
He
,
L. N.
Zhao
, and
Y. H.
Luo
,
Eur. Phys. J. D
58
,
117
(
2010
).
83.
D. E.
Jiang
,
M.
Walter
, and
S.
Dai
,
Chem. Eur. J.
16
,
4999
(
2010
).
84.
H.
Woldeghebriel
and
A.
Kshirsagar
,
J. Chem. Phys.
127
,
224708
(
2007
);
[PubMed]
A. A.
Bagatur'yants
,
A. A.
Safonov
,
H.
Stoll
, and
H. J.
Werner
,
J. Chem. Phys.
109
,
3096
(
1998
);
K.
Sugawara
,
F.
Sobott
, and
A. B.
Vakhtin
,
J. Chem. Phys.
118
,
7808
(
2003
).
85.
C.
Majumder
,
A. K.
Kandalam
, and
P.
Jena
,
Phys. Rev. B
74
,
205437
(
2006
).
86.
P.
Pyykkö
,
K.
Angermaier
,
B.
Assmann
, and
H.
Schmidbaur
,
J. Chem. Soc. Chem. Commun.
1995
,
1889
.
87.
L. S.
Wang
,
H. S.
Cheng
, and
J.
Fan
,
J. Chem. Phys.
102
,
9480
(
1995
).
88.
L. S.
Wang
and
H.
Wu
, in
Advances in Metal and Semiconductor Clusters. IV. Cluster Materials
, edited by
M. A.
Duncan
(
JAI Press
,
Greenwich
,
1998
), pp.
299
343
.
89.
H. J.
Zhai
,
W.
Huang
, and
L. S.
Wang
,
J. Am. Chem. Soc.
132
,
4344
(
2010
).
90.
J.
Akola
,
M.
Manninen
,
H.
Hakkinen
,
U.
Landman
,
X.
Li
, and
L.-S.
Wang
,
Phys. Rev. B
60
,
R11297
(
1999
).
91.
Y. L.
Wang
,
H. J.
Zhai
,
X.
Lu
,
J.
Li
, and
L. S.
Wang
,
J. Phys. Chem. A
114
,
1247
(
2010
).
92.
E. L.
Bylaska
 et al., NWCHEM, a computational chemistry package for parallel computers, version 5.1.1, Pacific Northwest National Laboratory, Richland, USA.
93.
X.
Li
,
B.
Kiran
,
J.
Li
,
H. J.
Zhai
, and
L. S.
Wang
,
Angew. Chem., Int. Ed.
41
,
4786
(
2002
).
94.
W.
Huang
,
R.
Pal
,
L. M.
Wang
,
X. C.
Zeng
, and
L. S.
Wang
,
J. Chem. Phys.
132
,
054305
(
2010
).
95.
See supplementary material at http://dx.doi.org/10.1063/1.4802477 for more information on relative energies, structures, and simulated PES spectra of low-lying isomers of each cluster.
96.
X.
Li
,
B.
Kiran
, and
L. S.
Wang
,
J. Phys. Chem. A
109
,
4366
(
2005
).
97.
B.
Kiran
,
X.
Li
,
H. J.
Zhai
, and
L. S.
Wang
,
J. Chem. Phys.
125
,
133204
(
2006
).
98.
H. J.
Zhai
,
B.
Kiran
,
B.
Dai
,
J.
Li
, and
L. S.
Wang
,
J. Am. Chem. Soc.
127
,
12098
(
2005
).
99.
P.
Geerlings
,
F.
De Proft
, and
W.
Langenaeker
,
Chem. Rev.
103
,
1793
(
2003
).
100.
W.
Huang
and
L. S.
Wang
,
Phys. Rev. Lett.
102
,
153401
(
2009
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.