Zustandsaufgelöste Flugzeitmessungen

In den letzten Jahren wurden große Fortschritte im Verständnis der dynamischen Prozesse, die Adsorptions- und Desorptionsreaktionen bestimmen, gemacht. Im Fall der rekombinativen Desorption von Gasmolekülen von Oberflächen kann man zwei grundsätzlich unterschiedliche Reaktionsprozesse unterscheiden: Rekombination von thermalisierten Atomen (Langmuir-Hinshelwood Reaktion) und Rekombination von auf die Oberfläche auftreffenden Atomen mit adsorbierten Atomen (Eley-Rideal Reaktion). Die Endzustände der so entstehenden Moleküle (Rotations-, Vibrations- und Translationszustand) können für die beiden Reaktionstypen sehr unterschiedlich sein. Reaktionen vom zweiten Typ sind für eine Reihe von technologischen Prozessen von Bedeutung, wie z.B. für Ätzprozesse in der Halbleitertechnologie, Herstellung von synthetischen Diamanten, Wasserstoffspeicherung in Metallen oder die Plasma-Wand Wechselwirkung. Das Ziel dieses Projekts ist die genaue Charakterisierung der entstehenden Moleküle als Folge einer Eley-Rideal Reaktion bezüglich ihrer Freiheitsgrade (Rotation, Vibration, Translation). Die Untersuchungen sollen am Modellsystem Wasserstoff-Aluminium durchgeführt werden. Atomarer Wasserstoff wird in einer speziellen Wasserstoffquelle produziert und auf die wasserstoffbedeckte Aluminiumoberfläche geschossen. Die dabei infolge der Eley-Rideal Reaktion entstehenden Wasserstoffmoleküle werden dann in einem REMPI Spektrometer analysiert. Mit der REMPI (Resonanzverstärkte Mehr-Photonen Ionisation) Spektroskopie können die Wasserstoffmoleküle zustandsaufgelöst detektiert werden. In einem speziell ausgeführten Flugzeitinassenspektrometer kann auch die Translationsenergie der zustands-selektierten Moleküle bestimmt werden. Folgende Fragen sollen in dieser Arbeit behandelt werden: Welche Grundprozesse liegen einer Eley-Rideal Reaktion zugrunde? Wie wird die Reaktionsenergie auf die verschiedenen Freiheitsgrade des Moleküls bzw. auf die Anregung der Oberfläche verteilt? Wie beeinflußt die Oberflächenstruktur die Eley-Rideal Reaktion? Wie beeinflussen Koadsorbate die Eley-Rideal Reaktion?

Ein wichtiger Aspekt der Oberflächenphysik ist das grundlegende Verständnis der mikroskopischen Prozesse, die bei Adsorption and Desorption von Molekülen auf Oberflächen auftreten. Bei diesem Projekt haben wir eine spezielle laserspektroskopische Methode eingesetzt, um diese Fragen zu untersuchen. Mit dieser Technik, die als REMPI (resonanz verstärkte Mehrphotonen Ionisation) bezeichnet wird, können die Besetzungsverteilungen der Rotations- und Vibrationszustände von desorbierenden Molekülen bestimmt werden. Das spezielle Ziel dieses Projekts war nun die zusätzliche Messung der Flugzeitverteilung der Moleküle in den einzelnen Rotations- und Vibrationszuständen, um auch deren Translationsenergieverteilung zu bestimmen. Dies haben wir erreicht, indem wir ein bestehendes REMPI Spektrometer mit einem Flugzeitspektrometer zu einem sogenannten REMPI-TOF Spektrometer erweitert haben. Mit dieser Analyseneinrichtung untersuchten wir die Adsorption und Desorption von Wasserstoff (Deuterium) auf verschieden modifizierten Vanadiumoberflächen. Dieses System ist im Zusammenhang mit der Energiespeicherung von technologischer Bedeutung, da Vanadium große Mengen an Wasserstoff speichern kann. Die wichtigsten Ergebnisse sind im folgenden zusammengefasst: Auf einer Vanadiumoberfläche, die entweder mit Sauerstoff oder mit Schwefel bedeckt ist (dies sind für technologische Anwendungen typische Oberflächen), ist die Adsorptionswahrscheinlichkeit für molekularen Wasserstoff sehr klein. Der Grund dafür ist eine sehr hohe Aktivierungsbarriere für die dissoziative Adsorption. In diesem Fall könnte man die Adsorptionswahrscheinlichkeit erhöhen, indem man Energie in die verschiedenen Freiheitsgrade, wie Translation, Rotation oder Vibration pumpt. Wenn dies stimmt, dann sollte auch die Besetzungsverteilung dieser Zustände, auf Grund des sogenannten detaillierten Gleichgewichts, im Falle der Desorption dementsprechend von der thermischen Besetzungsverteilung abweichen. Tatsächlich haben wir herausgefunden, dass die Translationsenergieverteilung und die Vibrationsenergieverteilung stark überthermisch, die Rotationsenergieverteilung hingegen unterthermisch ist. Diese Erkenntnisse sind von grosser Bedeutung für das mikroskopische Verständnis der Desorption, und die ermittelten Daten sind wichtige Inputparameter für die theoretische Beschreibung der Adsorptions- und Desorptionsprozesse.