Kationenerzeugung in dotierten He Tröpfchen durch Elektronen

Ionisationsprozesse in dotierten Heliumtröpfchen durch Elektronenbeschuss werden im vorliegenden Forschungsprojekt untersucht. Dazu gehören die direkte Elektronenstoßionisation der Dotierungssubstanz, Ladungstransfer von He+ , Penningionisation durch Stöße mit elektronisch angeregten Heliumatomen und die kürzlich entdeckte sequentielle Penningionisation. Ionisation und Fragmentation von Cluster im Inneren von stark dotierten Heliumtröpfchen sind von besonderem Interesse. Einerseits verhindert das umgebende Helium durch effizientes Kühlen Fragmentation, was zu Clusterionenverteilungen führt, die identisch mit den neutralen Clusterverteilungen sind. Andererseits fördert die Überschussenergie bei Stößen mit He+ und He* die Fragmentation der Cluster, was zu Intensitätsanomalien aufgrund der unterschiedlichen Bindungsenergien benachbarter Clusterionen führt. Durch unterschiedlich dotierte und große neutrale He-Tröpfchen und verschiedene Ionisierungseinstellungen wird die Entstehung von Magischen Zahlen (Intensitätsanomalien in Clusterionenverteilungen) erforscht. Sequentielle Penningionisation führt zu einer Konzentration von Anregungsenergie in Ionen. Sequentielle Penningionisation führt im Fall von He-Tröpfchen, die mit einem Metallatom dotiert sind, dessen zweite oder dritte Ionisierungsenergie niedriger ist als die Anregungsenergie von Helium, zu mehrfachgeladenen Ionen. Auch Moleküle und Cluster können durch sequentielle Penningionisation im Inneren von He-Tröpfchen erzeugt werden. Der Zerfall und chemische Prozesse dieser oft instabilen und reaktiven Ionen werden untersucht. Atome und kleine Cluster aus Alkalimetallen wandern nicht ins Innere von Heliumtröpfchen. In einer theoretischen Arbeit wurde kürzlich eine Größe von etwa 20 Atomen für Natrium und Lithium bestimmt, ab der neutrale Cluster aus diesen Metallen ins Zentrum von Heliumtröpfchen wandern. Im vorliegenden Projekt wird diese kritische Größe nun erstmals experimentell bestimmt. Darüberhinaus kann mithilfe von verschieden großen Alkalicluster die Ionisation im Inneren bzw. an der Oberfläche von Heliumtröpfchen im Detail erforscht werden. Gute Energieauflösung der Messungen wird durch einen Elektronenmonochromator erreicht. Neben bestehenden leistungsfähigen Massenspektrometern wird auch ein mit 10 kHz gepulster, farbveränderlicher Femtosekundenlaser eingesetzt. Dieser kann mit massenselektierten Ionenpulsen synchronisiert werden und ermöglicht das Bestimmen der Bindungsenergie von Helium an Molekül- und Clusterionen. Derselbe Laser wird auch benützt, um Moleküle, die im Inneren von dotierten Heliumtröpfchen synthetisiert wurden, zu identifizieren. Die Polymerisation kleiner Kohlenwasserstoffmoleküle und die Synthese von polyzyklisch- aromatischen Kohlenwasserstoffen ist dabei von besonderem Interesse. Neben fundamentalen Aspekten der Tieftemperaturchemie und Clusterphysik sind die zu erwartenden Ergebnisse auch für die Astrophysik und Astrochemie von großer Bedeutung.

Im Rahmen der Untersuchungen dieses Projekts zur Bildung von Kationen in dotierten Heliumtröpfchen mittels Elektronenbeschuss wurden zwei unerwartete anionische metastabile Zwischenprodukte entdeckt, He*- und He2*-. Besonders das negativ geladene Monomer entsteht über einen simplen resonanten Mechanismus mit großer Wahrscheinlichkeit. Bei einer Elektronenenergie von etwa 22eV können Elektronen im Inneren von Heliumtröpfchen ein metastabiles elektronisch angeregtes Atom He* (1s2s 3S) erzeugen und verlieren dabei einen Großteil ihre Energie. Die langsamen Elektronen bilden dann durch Pauliabstoßung eine sogenannte Blase, die aufgrund ihrer Größe und Masse eine geringe Mobilität besitzt. Durch landungsinduzierte Dipolwechselwirkung zieht die Elektronenblase das metastabile Helium wieder an und die beiden rekombinieren in ein anionisches Helium (1s2s2p 4P), welches in der Gasphase bereits seit 1939 bekannt ist, aber in Heliumtröpfchen zu ersten Mal identifiziert wurde. He*- ist gerne im Inneren der Tröpfchen und sehr beweglich, wodurch es rasch jede Art von polarisierbarer Verunreinigung (Dotanten) aufsucht und mit diesen wechselwirkt. Neben einem neuartigen Mechanismus zur effektiven Erzeugung von Dianionen im Fall von Fullerenen wurde auch die Erzeugung von Salzclustern durch He*- initiiert. Beiden Arbeiten sind Ende 2014 in der Angewandten Chemie Int. Ed. erschienen. He*- konnte auch die resonante Bildung von He+ bei einer Elektronenenergie um 22eV erklären. Diese unerwartet niedrige Elektronenenergie für kationisches He wurde bereits 1998 erstmals berichtet, aber nicht verstanden.Ein zweites großes Gebiet, das im Rahmen dieses Projekts bearbeitet wurde waren die Physisorption von Atomen und Molekülen an Fulleren(-cluster). Während polare Moleküle, wie Wasser, sehr wenig mit den Fullerenen wechselwirken und Cluster auf den Kohlenstoffoberflächen bilden, erzeugen apolare Dotanten zunächst monomolekulare Filme, die sich oft über den 5- und 6-eckigen Ringen des Fullerengitters anordnen. Dabei entstehen oft ausgeprägte Intensitätsanomalien bei den Schalenabschlüssen, wenn jeder Kohlenstoffring mit einem Dotanten besetzt ist (32 für C60 und 37 für C70). Für viele Messdaten laufen zurzeit noch molekulardynamische Rechnungen um ein tieferes Verständnis der experimentell beobachteten Schalenabschlüsse und magischen Zahlen zu erhalten. Im Lauf des Jahres 2015 sollten diese beendet sein und auch diese Ergebnisse sollen dann in wissenschaftlichen Zeitschriften veröffentlicht werden.