Tim Laarmann, Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 2001
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In dieser Arbeit wurden einige wichtige offene Fragen zur elektronischen Struktur und Energiedissipation in reinen Edelgasclustern untersucht, indem kleine Edelgascluster in große Edelgascluster eingelagert wurden. Als experimentelle Methode kam die Fluoreszenzspektroskopie mit Synchrotronstrahlung zum Einsatz. Von besonderem Interesse sind hier die energetische Aufspaltung sowie die Intensitätsverhältnisse der ersten angeregten Zustände der Cluster als auch Desorptionsprozesse angeregter Atome oder Moleküle. Den ersten Teil bilden die Ergebnisse der Fluoreszenzanregungsspektroskopie an ArM Ne 7500 -Clustern (M < 100) im Vakuum-ultravioletten (VUV) sowie im sichtbaren und nah-infraroten Spektralbereich (VIS/IR). Die dotierten Cluster wurden mit der Pick-up Technik hergestellt, indem große Ne-Cluster mit einer definierten Zahl von Ar- Atomen aus einem Querstrahl dotiert werden. Innerhalb der Cluster wird auf diese Weise ein kleiner Cluster aus den Dotierungsatomen geformt. Die elektronische Anregung der Ne-Cluster (17,3 - 18 eV) führt zur Emission von VIS/IR-Photonen der eingelagerten Ar-Cluster. Dies zeigt, dass die Ar-Atome hauptsächlich im Inneren kondensieren, da eine Anregung der Ne-Oberflächenexzitonen zu keinem Energietransfer führt. Im Energiebereich der charakteristischen Absorptionen von Ar-Clustern (11,5 - 13 eV) verschwinden die Oberflächenexzitonen der in Ne eingelagerten Ar-Cluster, während neue Absorptionsbanden auftreten. Diese lassen sich Exzitonen an der Grenzfläche zwischen dem Ar-Cluster und dem Ne-Wirtscluster zuordnen. Die beobachtete Energieverschiebung der Absorptionsbanden ist proportional zum Logarithmus der Clustergröße in Übereinstimmung mit dem Frenkel-Exzitonen Modell. Im zweiten Teil werden energieaufgelöste VIS/IR-Fluoreszenzspektren photoangeregter Ar 50 Ne 7500 -Cluster vorgestellt. Die Messungen zeigen, dass der Energietransfer zur Desorption elektronisch angeregter Ar-Atome führt. Die Atome bewegen sich durch den Ne-Cluster, desorbieren und emittieren VIS/IR-Photonen im Vakuum. Die Ergebnisse belegen, dass Ne eine relativ weiche Matrix darstellt, die die Desorption nicht unterdrücken kann. Indem die Ar-Cluster in einem zweiten Pick-up Prozess mit bis zu 40 Kr-Atomen bedeckt werden, verschwinden die Ar-Linien und atomare Kr-Übergänge werden dominant. Zusätzlich treten neue Banden auf, die Übergängen aus gestörten atomaren Ar-Zuständen innerhalb des Ne-Clusters zugeordnet werden können. In diesem Bild werden die desorbierenden Ar-Atome durch inelastische Stöße mit den Kr-Atomen der Deckschicht daran gehindert, die Ne-Clusteroberfläche zu erreichen. Diese Interpretation wird durch Vertauschen der Dotierreihenfolge bestätigt (zuerst Kr dann Ar).
Electronic and geometric properties of doped rare gas clusters with a shell-like structure Some important but currently unanswered questions concerning the electronic struc- ture and energy dissipation processes in pure rare gas clusters were investigated by em- bedding small rare gas clusters inside large rare gas clusters. Fluorescence spectroscopy with synchrotron radiation was used as the experimental method. Here, the energetic splitting and the intensity ratios of the rst excited states of the clusters as well as desorption processes of excited atoms or molecules were of special interest. In the rst part uorescence excitation spectra of ArM Ne 7500 -clusters (M < 100) in the vacuum-ultraviolet (VUV) as well as in the visible and near-infrared spectral range (VIS/IR) are presented. The embedded clusters were prepared in a pick-up process, by doping large Ne-clusters with a defined number of Ar-atoms from a cross-jet. With this technique it is possible to build up small clusters of the doped material on the inside of large clusters. Electronic excitation of Ne-clusters (17,3 - 18 eV) leads to VIS/IR-emission of the embedded Ar-clusters, which indicates an energy transfer to the embedded clusters. Since no energy-transfer is observed for Ne-clusters upon surface excitation, the Ar-atoms condense mainly on the inside. In the energy range of the characteristic absorption of Ar-clusters (11,5 - 13 eV), surface excitons of Ar-clusters embedded in Ne disappear, while new absorption bands appear. They are assigned to excitons at the interface between the Ar-cluster and the Ne host cluster. The observed energy shift of the absorption bands is proportional to the logarithm of the cluster size, which is in agreement with the Frenkel-exciton model. Part two treats energy-resolved VIS/IR- uorescence spectra of photo-excited Ar 50 Ne 7500 -clusters. The measurements show, that the energy transfer leads to the desorption of electronically excited Ar-atoms. The atoms move through the Ne-cluster, desorb and emit VIS/IR-light in the vacuum. The results indicate that Ne is a rather soft matrix which is unable to suppress desorption by caging the excited Ar-atoms. By coating the Ar-clusters in a second pick-up process with up to approximately 40 Kr-atoms, the Ar-lines disappear and atomic Kr-transitions become dominant. Additio- nally, new bands occur, which are assigned to transitions of perturbed atomic Ar-states inside Ne-clusters. In this picture, the desorbed excited Ar-atoms are prevented from reaching the Ne-cluster surface by inelastic collisions with the Kr-shell atoms. The inter- pretation of the experimental results is con rmed by changing the order of doping ( first Kr then Ar).