Elektronenanlagerung an dotierte (semi-)flüssige Cluster

Atomare und molekulare Clustermatrizen unterscheiden sich stark sowohl in ihrer Temperatur als auch in ihrer Phase. Neutrale Heliumcluster werden unabhängig vom Dotierungsgrad als flüssig angesehen (mit superfluiden Verhalten), während undotierte flüssige Neon- und Wasserstoffcluster nach einer Dotierung mit bereits wenigen Molekülen feststoffartige Eigenschaften zeigen. Die Gemeinsamkeit der erwähnten (semi)-flüssigen und extrem kalten Cluster (~ 0.4-10 K) ist ihre stark repulsive Wechselwirkung mit einem Überschusselektron, was zur Bildung einer Elektronenblase im Cluster führt, in der die Ladung lokalisiert ist. Weiters bildet die Clusteroberfläche eine energetische Barriere, d.h. ein Elektron benötigt zum Eindringen in die Clustermatrix genügend kinetische Energie, um diese Barriere zu überwinden. Mittels Dotanden, die bei Elektronenanlagerung stabile Anionen bilden, können die clusterspezifischen Eigenschaften über einen weiten Clustergrößenbereich untersucht werden. Man erwartet eine ausgeprägte Änderung der Effizienz der Elektronanlagerung und der dadurch verursachten Fragmentierung der Dotanden. In diesem Projekt werden Dotanden gezielt in die erwähnten Clustermatrizen eingebettet und erstmals die Anionenbildung mittels eines hochauflösenden Elektronenmonochromators, der mit einem Flugzeitmassenspektrometer gekoppelt wird, untersucht. Mit diesen Experimenten lässt sich die Blasenbildung von Elektronen in dotierten Clustern charakterisieren. Im Falle von Heliumclustern gibt es konkrete theoretische Vorhersagen bzgl. der für eine Blasenbildung benötigten Mindestgröße der Cluster, die hier experimentell bestätigt werden könnten. Für die molekulare Wasserstoffclustermatrix existiert außerdem die Möglichkeit der Bildung einer Hydridblase, die durch dissoziative Elektronenanlagerung an ein Wasserstoffmolekül des Cluster entsteht. Hier ist das Ziel, die Reaktionen von solchen entstandenen Hydridblasen mit Dotanden in Clustermatrix zu untersuchen. Weiters bietet die Dotierung in die verschiedenen Clustermatrizen die einzigartige Möglichkeit die Kenntnisse über den Prozess der Elektronenanlagerung und die Stabilisierung der gebildeten Anionen in den sehr kalten Temperaturbereich zu erweitern. Neben der Temperatur spielt die Solvatisierung eine wesentliche Rolle in der Effizienz von (chemischen) Reaktionen und in der Bildung von Produktionen.

Edelgase sind eine bekannt chemisch inaktive Spezies. Ein freies Elektron, das von einem Edelgasatom eingefangen wurde, bindet nur für sehr kurze Zeit, die nicht ausreichend ist, um das gebildete Anion massenspektrometrisch zu detektieren. Auch im Falle, dass die Edelgase Helium oder Neon zu einer makroskopischen Flüssigkeit kondensiert wurden, bindet das Überschusselektron nicht mit der Flüssigkeit. Ein in die Flüssigkeit eingebrachtes Elektron sitzt in einer Blase und drückt die umgebende Flüssigkeit zurück. Das Elektron benötigt auch genügend Energie, um erst in die Flüssigkeit eindringen zu können. In diesem Projekt untersuchten wir solche Elektroneneinfangprozesse für Helium- und Neoncluster (Ansammlungen bestehend aus wenigen Atomen bis zu einer Million). Eine essentielle Fragestellung in diesem Zusammenhang war, ob die Eigenschaften des Clusters denen von makroskopischer Materie entsprechen. Kurzum, für Helium zeigten sich starke Unterschiede je nach der Größe des Clusters. Ebenfalls entscheidend ist es, ob es sich um reinen Cluster handelt, oder ob dieser mit einem Fremdatom oder molekül dotiert ist. Für genügend große undotierte Cluster wurde im Rahmen der Untersuchungen eine exotische, anionische Spezies untersucht: das elektronisch angeregte Heliumanion. Diese Spezies wird gebildet, wenn das in den Cluster eingedrungene Elektron zuerst ein Heliumatom elektronisch anregt und dabei seine nahezu gesamte Energie verliert. Danach kann sich das Elektron an das elektronisch angeregte Atom binden. Eine zweite negative Überschussladung im Cluster sorgt für die Emission des Anions aus dem Cluster. Dieser Prozess erlaubt die Detektion des Anions. Wir untersuchten weiters, wieviel Energie ein Elektron beim Eindringen in den Heliumcluster verliert. Dabei konnten wir zum ersten Mal zeigen, dass eine bestimmte Energiebarriere erst ab einer gewissen Clustergröße vorhanden ist. Weiters beobachteten wir, dass bei Anwesenheit eines Dotanden die ablaufende Dynamik eine dramatische Änderung erfährt. In diesem Fall lokalisiert das Überschusselektron am Dotanden, und diese somit negativ geladene Spezies verlässt den Cluster. Neon- und Heliumcluster zeigen diesen Mechanismus betreffend keine Unterschiede. In diesem Projekt konnte zum ersten Mal die Bildung von Anionen durch Elektronenanlagerung an dotierte Neoncluster beobachtet werden. Wie bei den Heliumclustern war keine Anionenbildung durch extrem langsame Elektronen beobachtbar. Allerdings war der Energieverlust beim Eindringen in den Cluster geringer als im Falle des Helium. Aufgrund dieser Resultate konnten umfassendes Wissen hinsichtlich der elektronischen Struktur von Edelgasclustern gewonnen werden.