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Aufbau und Inbetriebnahme einer Versuchsapparatur zur Bestimmung von Ionisationspotentialen von Clustern im Molekularstrahl

Macion, Alexander (2025)
Aufbau und Inbetriebnahme einer Versuchsapparatur zur Bestimmung von Ionisationspotentialen von Clustern im Molekularstrahl.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00028948
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Aufbau und Inbetriebnahme einer Versuchsapparatur zur Bestimmung von Ionisationspotentialen von Clustern im Molekularstrahl
Language: German
Referees: Schäfer, Prof. Dr. Rolf ; Krewald, Prof. Dr. Vera
Date: 15 January 2025
Place of Publication: Darmstadt
Collation: XIII, 64 Seiten
Date of oral examination: 18 December 2024
DOI: 10.26083/tuprints-00028948
Abstract:

Die hier vorgelegte Arbeit beschreibt den Aufbau einer Versuchsapparatur und die ersten daraus resultierenden, experimentellen Ergebnisse zur Bestimmung der Ionisationspotentiale von Clustern im Molekularstrahl. Der Fokus der Arbeit liegt auf der Konstruktion der Apparatur und hierbei vor allem auf der Erzeugung von vakuum-ultraviolett (engl. vacuum-ultraviolet) (VUV)-Licht, welches für die Ionisation von Metallclustern notwendig ist. Der Versuchsaufbau wird anschließend anhand von mehreren, unterschiedlichen Experimenten validiert und überprüft. Ebenso werden verschiedene Möglichkeiten präsentiert, wie der apparative Aufbau in Zukunft verbessert oder erweitert werden kann, um ein tieferes Verständnis der elektronischen Struktur der Cluster anhand ihres Ionisationsverhaltens zu bekommen. Der Aufbau der Apparatur erfolgte in zwei Stufen, welche nacheinander durchgeführt wurden: Zum einen der Aufbau eines möglichst kompakten Molekularstrahlexperiments bestehend aus einer Clusterquelle, dem Massenspektrometer zur Detektion und einer Xenon-Blitzlampe mit dazugehörigem Monochromator als Ionisationsquelle. Zum anderen aus die Vereinigung dieser Einheit mit einer bestehenden Anlage zum laserspektroskopischen Studium von Dissoziationsprozessen. Zusätzlich wurde bei dem finalen Aufbau die Blitzlampe durch ein Lasersystem ersetzt, das die hoch genaue Bestimmung von Ionisationspotentialen ermöglicht. Auch wenn die energetische Auflösung des monochromatisierten Lichts der Blitzlampe nur ausreicht, um Ionisierungspotentiale mit einer Genauigkeit von typischerweise 0,1 eV zu bestimmen, hat dieser Aufbau den großen Vorteil, dass Energien von 5,0 bis 8,5 eV angefahren werden können ohne Veränderungen an der Photoionisationsquelle vornehmen zu müssen. Um diesen Energiebereich mit dem Lasersystem abzudecken, sind verschiedene nichtlineare optische Prozesse, wie die Summenfrequenz- oder die Vierwellenmischung, notwendig und es muss eine ganze Palette an Laserfarbstoffen verwendet werden. Allerdings wird dadurch die energetische Auflösung stark verbessert, sodass Ionisierungspotentiale mit einer Genauigkeit besser 0,01 eV bestimmt werden können. Damit ist es auch möglich, Auswirkungen thermisch angeregter Schwingungszustände auf das Ionisierungsverhalten zu verfolgen. Die Untersuchung von verschiedenen Metall-Atomen im Energiebereich von 5,5 bis 7,5 eV zeigt, dass mit Hilfe der Blitzlampe in Kombination mit dem Monochromator bereits genaue Werte bei der Bestimmung von Ionisationspotentialen erzielt werden können. Außerdem beweisen diese Messungen, dass die durchgeführte Kalibrierung des Monochromators sinnvoll und ausreichend präzise ist. Mit dem Versuchsaufbau wurden die Ionisierungspotentiale von Zinn-Clustern mit acht bis zwölf Atomen bestimmt. Die gemessene Photoionenausbeute wurde dazu mit Hilfe von quantenchemischen Simulationen analysiert. Zusätzlich war es möglich, Strukturisomere einer einzelnen Clustergröße anhand des Ionisierungsverhaltens voneinander zu unterscheiden, sofern der Unterschied im Wert der Ionisationspotentiale größer ist als die experimentelle erreichte Bandbreite der Lichtquelle. Neben reinen Zinnclustern wurde auch die Photoionenausbeute von mit einem Eisenatom dotierten Zinncluster erstmals untersucht. Hierbei zeigt sich, dass die Dotierung mit Eisen zu einer deutlichen Erhöhung des Ionisierungspotentials führt. Nach dem Aufbau des Lasersystems wird zunächst die Summenfrequenzmischung in nichtlinearen optischen Kristallen verwendet, um Energien zwischen 5,0 und 6,5 eV zu erzeugen. Damit wurde beispielhaft das Ionisationsverhaltens des Eisen-Dimers genauer studiert. Hierbei gelang es nicht nur den Wert des adiabatischen Ionisierungspotentials mit einer Genauigkeit von 2,5 meV zu bestimmen, sondern auch den Einfluss der thermisch angeregten Schwingung auf das Ionisationsverhalten mit Hilfe eines Isotopeneffekts eindeutig nachzuweisen und die Schwingungswellenzahl des neutralen ⁵⁶Fe₂ zu (294 ± 3) cm⁻¹ zu ermitteln. Schließlich können durch die Verwendung der Vierwellenmischung in einer Xe-Gaszelle auch Energien zwischen 5,5 und 8,0 eV erzeugt werden. Damit erfolgte die erneute Messung des Ionisierungspotentials des Zinn-Atoms, nun allerdings mit einer um den Faktor 15 verbesserten Genauigkeit. Außerdem wurde auch das Ionisierungsverhalten von Sn₁₀ erstmalig mit hoher Auflösung untersucht. Abschließend werden sowohl apparative als auch quantenchemische Probleme diskutiert und Verbesserungsvorschläge entwickelt, welche die Durchführung und Analyse der Experimente in Zukunft noch leistungsfähiger und aussagekräftiger machen werden.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

The work presented here describes the construction of an experimental apparatus and the resulting first experimental results for determining the ionization potentials of clusters in the molecular beam. The focus of the work is on the construction of the apparatus and in particular on the generation of VUV light, which is necessary for the ionization of metal clusters. The experimental setup is then validated and tested using several different experiments. Various possibilities are also presented as to how the apparatus can be improved or expanded in the future in order to gain a deeper understanding of the electronic structure of the clusters based on their ionization behaviour.

The apparatus was set up in two stages, which were carried out one after the other: Firstly, the construction of the most compact molecular beam experiment possible, consisting of a cluster source, the mass spectrometer for detection and a xenon flash lamp with an associated monochromator as an ionization source. Secondly, this unit was combined with an existing system for the laser spectroscopic study of dissociation processes. In addition, the flash lamp was replaced by a laser system in the final setup, which enables the highly accurate determination of ionization potentials. Even if the energetic resolution of the monochromatized light of the flash lamp is only sufficient to determine ionization potentials with an accuracy of typically 0.1 eV, this setup has the great advantage that energies from 5.0 to 8.5 eV can be approached without having to make changes to the hotoionization source. In order to cover this energy range with the laser system, various non-linear optical processes, such as sum frequency or four-wave mixing, are necessary and a whole range of laser dyes must be used. However, this greatly improves the energetic resolution so that ionization potentials can be determined with an accuracy better than 0.01 eV. It is therefore also possible to track the effects of thermally excited vibrational states on ionization behaviour. The investigation of various metal atoms in the energy range from 5.5 to 7.5 eV shows that the flash lamp in combination with the monochromator can already achieve accurate values in the determination of ionization potentials. These measurements also prove that the calibration of the monochromator is useful and sufficiently precise. The experimental setup was used to determine the ionization potentials of tin clusters with eight to twelve atoms. The measured photoion yield was analyzed with the help of quantum chemical simulations. In addition, it was possible to differentiate between structural isomers of a single cluster size on the basis of their ionization behaviour, provided that the difference in the value of the ionization potentials is greater than the experimental bandwidth of the light source. In addition to pure tin clusters, the photoion yield of tin clusters doped with an iron atom was also investigated for the first time. This shows that doping with iron leads to a significant increase in the ionization potential. After setting up the laser system, the sum frequency mixing is first used in non-linear optical crystals to generate energies between 5.0 and 6.5 eV. This was used as an example to study the ionization behaviour of the iron dimer in more detail. Here it was not only possible to determine the value of the adiabatic ionization potential with an accuracy of 2.5 meV, but also to clearly demonstrate the influence of the thermally excited oscillation on the ionization behaviour with the help of an isotope effect and to determine the oscillation wavenumber of the neutral ⁵⁶Fe₂ to (294 ± 3) cm⁻¹. Finally, by using the four-wave mixture in a Xe gas cell, energies between 5.5 and 8.0 eV can also be generated. Thus, the ionization potential of the tin atom was measured again, but now with an accuracy improved by a factor of 15. In addition, the ionization behaviour of Sn₁₀ was also investigated for the first time with high resolution. Finally, both instrumental and quantum chemical problems are discussed and suggestions for improvement are developed, which will make the performance and analysis of the experiments even more efficient and meaningful in the future.

English
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-289486
Classification DDC: 500 Science and mathematics > 540 Chemistry
Divisions: 07 Department of Chemistry > Eduard Zintl-Institut > Physical Chemistry
DFG-Collaborative Research Centres (incl. Transregio) > Collaborative Research Centres > CRC 1487: Iron, upgraded!
Date Deposited: 15 Jan 2025 13:11
Last Modified: 15 Jan 2025 13:12
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/28948
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