Elektronenwechselwirkung mit Neutralen und Ionen

Hertha-Firnberg-Stelle T 5Elektronenwechselwirkung mit Neutralen und IonenSara MATT09.03.1999 Die experimentelle und theoretische Untersuchung von Atom- und Molekülclustern hat sich in den letzten Jahren zu einem interessanten, rasch wachsendem Forschungsgebiet entwickelt. Aufgrund der vielfältigen Möglichkeiten Cluster herzustellen, kann man heute, die Eigenschaften nahezu aller Materialien genauestens analysieren. Doch trotz der immensen Fortschritte ist es noch immer nicht gelungen massenselektierte neutrale Cluster in ausreichender Dichte zu erzeugen. Zu den wenigen Clustern, die im Experiment massenselektiert in großen Mengen zur Verfügung stehen gehören C60 und C70. Die Untersuchung der Wechselwirkung dieser Cluster mit Elektronen, Photonen und anderen Projektilen hat zur Entdeckung vieler fundamentaler Phänomene, geführt und man erwartet sich daher auch durch die Möglichkeit Cluster anderer Materialien massenselektiert zu studieren, große Fortschritte auf dem Gebiet der Cluster- und Molekülphysik. Im vorliegenden Projekt steht die Erzeugung eines massenselektierten Clusterstrahles und die quantitative Untersuchung der Wechselwirkung dieses Strahles mit Elektronen (Messung von Ionisafionswirkungsquerschnitten, Auftrittsenergien und Anlagerungsquerschnitten) im Mittelpunkt des Interesses. Ein weiterer wesentlicher Bestandteil dieses Projektes ist die quantitative Erfassung von Daten zur elektronenstoßinduzierten Ionisation und dissoziativen Ionisation massenseleklierter Molekül- und Clusterionen, wobei auch die zugrundeliegenden Reaktionsmechanismen genauer durchleuchtet werden sollen. Es ist zu betonen, daß die Ergebnisse dieser Untersuchungen nicht nur von fundamentalem Interesse sind, sondern vielmehr wertvolle Information für jegliche Plasmaanwendung darstellen. Sowohl für Anwendungen im Labor, Ionenquellen, Gasentladungen,..., als auch in der Industrie, plasmaunterstützte Oberflächenbehandlung, Ätzen, Beschichten,..., ist die quantitative Kenntnis der Elementarprozesse unabdingbare Voraussetzung für einen effizienten Betrieb. Die Durchführung der Experimente stützt sich auf die innovative Verwendung und teilweise Erweiterung eines bestehenden Ionenquellen-Massenspektrometer Systems und die Anwendung neuartiger Meßmethoden. Im Ralunen der Doktorarbeit der Antragstellerin wurde ein Dreisektorfeldmassenspektrometer aufgebaut, das nun für die Untersuchung der Wechselwirkung massenselektierter Ionenstrahlen mit Elektronen (Einsatz einer neu entwickelten Elektronenquelle) in verschiedenen Zeitfenstem nach der primären Ionisation zur Verfügung steht. Auf diese Weise ist eine präzise Bestimmung von (i) Zerfallsenergieverteilungen spontaner und elektronenstoßinduzierter Zerfälle als Funktion der Zeit und (ii) partiellen Wirkungsquerschnitten und Auftrittsenergien von Elektronenstoßdissoziation und Elektronenstoßionisation massenselektierter positiv und negativ geladener Ionen möglich. Weiters, soll. unter Verwendung dieses Dreisektorfeldmassenspektrometers ein neutraler massenselektierter Clusterstrahl (i) erzeugt werden, indem mit Hilfe einer Elektronenquelle (oder wahlweise auch einer Photonenquelle) negative Ionen neutralisiert werden. Durch Einsatz einer weiteren Elektronenquelle kann Elektronenstoßionisation und Elektronenanlagerung an diese neutralen Cluster untersucht werden.

Wir haben erfolgreich Prozesse der elektroneninduzierten Ionisation und Dissoziation masseneselektierter Molekül- und Clusterionen untersucht und auch die zugrunde liegende Reaktionsdynamik und Energetik ausführlich mit Hilfe der Dreisektorfeldmassenspektrometrie Schritt für Schritt erarbeitet. Aufgrund der erhöhten Genauigkeit und auch Empfindlichkeit haben wir nun die Möglichkeit Fragmentionen aus dem Zerfall massenselektierter Ionen speziellen Übergängen des angeregten Mutterions zuzuordnen. Dies ermöglicht eine von spektroskopischen Methoden unabhängige Überprüfung berechneter Potentialkurven. Die Relevanz unserer Ergebnisse kann daraus abgelesen werden, dass die ersten Resultate in Physical Review Letters publiziert wurden. Wir haben festgestellt, dass Argondimerionen im s Zeitfenster zunächst einen strahlenden Übergang zeigen, dem dann die eigentliche Fragmentation folgt. Neondimerionen hingegen zerfallen im gleichen Zeitraum auch über einen zusätzlichen nicht strahlenden Prozess der durch elektronische Prädissoziation verursacht wird. Die Auswahl des Mutterions mithilfe des hochauflösenden Massenspektrometer erlaubte es uns frühere Messreihen, die wir mit dem Zweisektorfeldgerät an Neon- und Kryptonclusterionen durchgeführt haben, auszudehnen. Die damaligen Experimente waren auf relativ kleine Clustergrößen beschränkt, da die Selektion des Mutterions durch das Magnetfeld allein nicht ausreicht um individuelle Isotopomere eines isotopenreichen Elements, wie zum Beispiel Krypton, sauber zu trennen. Die daraus resultierende Überlagerung von verschiedenen Zerfallsprodukten aus verschiedenen Mutterionen macht eine eindeutige Analyse der Fragmentionenpeaks nahezu unmöglich. Erschwerend kommt noch hinzu, dass bei größeren Clusterionen sogar bei eindeutig selektierter Masse sich die Mütter hinsichtlich ihrer Zusammensetzung unterscheiden können. Wenn die Mutterionen verschieden zusammengesetzt sind, können auch beim Zerfall verschieden Monomere verdampft werden und wir messen unterschiedliche partielle Fragmentionenpeaks. Die Form dieser Peaks kann nahezu beliebig sein und nur wenn man die Wahrscheinlichkeit für das Vorhandensein der einzelnen beitragenden Isotopomere im Detail in der Auswertung berücksichtigt, kann man das Spektrum in seine Einzelbeiträge zerlegen. Mit dieser Methode ist es uns gelungen die im Mittel freiwerdende kinetische Energie für Zerfallsreaktionen ausgewählter Clustergrößen zu messen und im nächsten Schritt daraus die Bindungsenergie dieser Clusterionen unter Verwendung der "Finite heat bath" Theorie zu bestimmen. Aufgrund der Tatsache, dass wir detailliert über Jahre die Zerfallsreaktion von C60 untersucht haben um die Bindungsenergie desselben zu erhalten und es uns auch gelungen ist, diese Methode erfolgreich anzuwenden, verfügen wir nun über die Expertise dieses Verfahren auch auf andere Systeme übertragen zu können. Weiters haben wir nun die Möglichkeit auch Systeme zu untersuchen, die nicht nur in der Ionenquelle direkt entstehen, sondern auch in Zerfallsreaktionen größerer Ionen. Wenn wir die Mutterionen sowohl mit dem Magnetfeld als auch dem ersten elektrostatischen Sektor auswählen und die Analyse mit dem zweiten elektrostatischen Sektor betreiben, verfälschen keine Überlagerungen, die von Zerfällen in der ersten feldfreien Region herrühren, das Spektrum. Wir haben die Zerfallsreaktionen von C3 H5 ++ untersucht und man konnte sehr schön beobachten, wie das Problem der Überlagerungen die Zuordnung der Fragmente zu einer Reaktion verhindert, wenn die Massenselektion nur mit Magnetfeld erfolgt. Wurden die Mutterionen hingegen mit Magnetfeld und elektrostatischem Feld getrennt waren keine Überlagerungen zu sehen. Die Tatsache, dass bei der Coulombexplosionen beide entstanden Fragmente detektiert werden können (beide sind geladen) ermöglicht die Bestimmung der Zerfallsenergie durch Analyse zweier unabhängiger Peakformen. Wir haben perfekte Übereinstimmung der beiden Resultate festgestellt und können daraus schließen, dass unsere Methode verlässlich ist. Es war ferner auch interessant, das experimentelle Ergebnis mit Berechnungen, die auf der Kenntnis der Potentialkurven des angeregten C3 H5 ++ basieren, zu vergleichen, da sich gezeigt hat, dass bei diesem Zerfall die gesamte zur Verfügung stehende potentielle Energie in kinetische Energie der Fragmentionen übergeht.