Macion, Alexander (2025)
Aufbau und Inbetriebnahme einer Versuchsapparatur zur Bestimmung von Ionisationspotentialen von Clustern im Molekularstrahl.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00028948
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (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.

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