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Aufbau und Erprobung einer Molekularstrahlapparatur für die Präparation, Massenselektion, Deposition und Oberflächenstreuung von reinen und legierten Blei- und Zinnclusterkationen

Turra, Mike :
Aufbau und Erprobung einer Molekularstrahlapparatur für die Präparation, Massenselektion, Deposition und Oberflächenstreuung von reinen und legierten Blei- und Zinnclusterkationen.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2008)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Aufbau und Erprobung einer Molekularstrahlapparatur für die Präparation, Massenselektion, Deposition und Oberflächenstreuung von reinen und legierten Blei- und Zinnclusterkationen
Language: German
Abstract:

Im Rahmen der Arbeit wurde eine Molekularstrahlapparatur entwickelt, mit der die Präparation, Selektion, Deposition und Oberflächenstreuung von reinen und legierten Clustern ohne eine Veränderung des Versuchsaufbaus durchgeführt werden konnte. Für die Clusterherstellung wurde eine Laserverdampfungsquelle aufgebaut, die hohe Intensitäten an kleinen, geladenen Metall- und Bimetallclustern lieferte. Die Massenselektion wurde durch die Kombination eines kolinear zum Clusterstrahl aufgebauten Flugzeitmassenspektrometers'mit einem pulsbaren, elektrostatischen Ionenspiegel realisiert. Durch einen neu entwickelten quasi-kontinuierlichen Betriebsmodus konnte die Transmission der Massenselektionseinheit um einen Faktor 10 bis 40 gegenüber herkömmlichen Flugzeitspektrometern gesteigert werden. Der Einsatz einer gepulsten Abbremseinheit führte zu einer Verbesserung der relativen Energieauflösung der Apparatur auf 2% bei gleichbleibender Transmission. Aus der oberflächen-induzierten Dissoziation wurde mit der Apparatur erstmals das reaktive Streuverhalten von kleinen Bleiclusterkationen mit 3 bis 20 Atomen verfolgt. Da solche Streuexperimente eine empfindliche Sonde sind, um die Wechselwirkung von Clustern mit Oberflächen zu studieren, wurde die hyperthermische Streuung an einer Graphitoberfläche systematisch in Abhängigkeit der Kollisionsenergie und der Clustergröße untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass im untersuchten Kollisionsenergiebereich von bis zu 400 eV neben Elektronentransferreaktionen auch Fragmentations- sowie Implantationsprozesse eine wichtige Rolle spielten. Das beobachtete Fragmentationsverhalten für kleine Kollisionsenergien deutete auf einen unimolekularen, sequenziellen Verlust von neutralen Atomen hin. Mit Hilfe quantenchemisch berechneter Bindungsenergien wurde die Kinetik dieser unimolekularen Zerfallsprozesse exemplarisch für Pb10+ auf der Basis der RRK-Theorie quantitativ modeliert. Außerdem wurden die Grenzen dieses Vorgehens für große Kollisionsenergien aufgezeigt.Beim Vergleich des Fragmentationsverhaltens von Bleiclustern mit Elementclustern gleicher Größe des leichteren Homologen Zinn offenbarten sich deutliche Unterschiede, da die Zinnclustern bevorzugt in stabile Untereinheiten dissoziieren. Die reaktive Streuung wies somit auf eine unterschiedliche elektronische und geometrische Struktur von kleinen Zinn- und Bleiclustern hin, was ebenfalls durch neuere quantenchemische Untersuchungen gestützt wird. Abschließend wurde die Streuung der Bimetallcluster Sn9 Pb+ und Pb9 Sn+ an einer HOPG-Oberfläche durchgeführt. Das Dissoziationsverhalten von Sn9 Pb + deutete ebenfalls auf ein bevorzugtes Abspalten des Bleiatoms hin, während beim Pb9 Sn+ über den ganzen Kollisionsenergiebereich Fragmentionen nachgewiesen werden konnten, die weiterhin das Sn-Atom enthalten. Diese Beobachtung zeigt, dass die Bindungsenergie von einzelnen Sn-Atomen in kleinen Bleiclustern offensichtlich deutlich größer ist als für den umgekehrten Fall. Somit eröffnet sich durch die oberflächen-induzierte Dissoziation die Möglichkeit, die Bindungsverhältnisse von legierten Clustern systematisch zu untersuchen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
A molecular beam apparatus was developped to prepare, mass select and deposit metal and bimetal clusters or scatter them on surfaces. All this was possible without modification of the apparatus. For the synthesis of small clusters with high amounts a laser ablation source was used. The mass selection was achieved by a combination of a colinear time-of-flight mass spectrometer (tof-ms) and a pulsable electrostatic ion mirror. The transmission of the tof-ms was 10 to 40 times higher as usual by using a new developped quasi-continuous mode. A pulsed decelleration unit bettered the relative energy resolution to 2% without any intensity loss. With surface-induced dissociation (SID) the reactive scattering of small lead cluster with 3 to 20 Atoms was investigated for the first time. As the scattering experiments can be used like a probe for the cluster surface interactions, the hyperthermical scattering of clusters on a graphite surface was studied in dependence of the collision energy and the cluster size. It was shown that electron transfer, fragmentation and implantation processes played important parts in the collision energies range from 0 eV to 400 eV. The fragmentation behaviour for small clusters indicates an unimolecular, sequentiel loss of atoms. The unimolecular dissociation processes of Pb10+ were quantitatively modeled with the RRK-theory. The cluster binding energies were taken from quantum mechanical calculations. Comparison of fragmentation behaviour of lead cluster with homologous element clusters revealed big differences. Tin clusters use to dissociate into stabil subunits. The reactive scattering pointed therefore to different electronic and geometric structures for small tin and lead cluster. This is in good agrement to newest quantum mechanical studies. At least Sn9Pb+ and Pb9Sn+ were scattered on a graphite surface. The dissociation behaviour of Sn9Pb+ showed a prefidential lead atom loss process, while the fragmentation pattern of Pb9Sn+ shows also fragments with tin atoms. This observation can be interpretated with higher binding energies of tin in a lead cluster than the other way round. The studies showed that the surface induced dissociation can also be used for the studying of the binding conditions in bimetall clusters.English
Uncontrolled Keywords: Cluster, Mass selection, time-of-flight mass spectrometer, SID, RRK-theorie
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Cluster, Mass selection, time-of-flight mass spectrometer, SID, RRK-theorieEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: Fachbereich Chemie > Physikalische Chemie
Date Deposited: 02 Dec 2008 07:50
Last Modified: 07 Dec 2012 11:54
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-11925
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Schäfer, Prof. Dr. R. and Claus, Prof. Dr. P.
Refereed: 7 July 2008
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/1192
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