Röntgenspektroskopie an freien größenselektierten Siliziumclustern, dotierten Siliziumclustern und Aluminiumclustern
Vogel, Marlene
Atomare Cluster bestehen aus einigen wenigen bis mehreren tausend Atomen und stellen daher das Bindeglied zwischen dem einzelnen Atom auf der einen Seite und dem Festkörper auf der anderen Seite her. Die speziellen Eigenschaften der Cluster ändern sich von Größe zu Größe zum Teil drastisch und sind grundlegend von denen des Atoms und des Festkörpers verschieden. Das Verständnis dieser Eigenschaften und deren Ursache versprechen grundlegende Einblicke in die Prozesse, die aus den atomaren Systemen über die Cluster verschiedener Größe als Zwischenschritte schließlich den Festkörper bilden. Darüberhinaus sind die speziellen Clustereigenschaften an sich für zukünftige technologische Anwendungen interessant. Die grundlegenden Eigenschaften der Cluster, ohne störende Einflüsse durch ein umgebendes oder angrenzendes Medium, sind nur in der Gasphase zu erforschen. Die Spektroskopie mit Röntgenphotonen bietet den Vorteil, daß damit die Rumpfniveaus der Cluster zugänglich sind und die Röntgenspektroskopie daher eine lokale und elementspezifische Methode darstellt. Speziell für Mischcluster ist diese Untersuchungsmethode daher ideal geeignet. Aufgrund der geringen Targetdichte im freien Clusterstrahl und des vergleichsweise geringen Photonenflusses von Röntgenstrahlungsquellen stellt die Untersuchung von freien Clustern mittels Röntgenspektroskopie jedoch eine besondere Herausforderung dar. In dieser Arbeit wird ein Experiment vorgestellt, mit dem es erstmals möglich ist, Röntgenspektroskopie an freien größenselektierten Metall- und Halbleiterclustern an einer Synchrotronstrahlungsquelle zu untersuchen. Die angewendete Methode, die Ionenausbeutespektroskopie, erlaubt hierbei die getrennte Analyse von resonanter und direkter Rumpfniveau-Photoionisation. Wie gezeigt wird, ist mit dieser Methode eine zur Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) analoge Untersuchung der Cluster möglich. Die Ergebnisse der 2p-Rumpfniveauanregung für drei Arten von Clustern werden vorgestellt, und zwar für reine Siliziumcluster Sin+ im Größenbereich n = 5-92, dotierte Siliziumcluster MSin+ mit einem Übergangsatom M = Ti, V, Cr und n = 15-17, sowie ScSi16+, und reine Aluminiumcluster Aln+ für die Größen n = 5-8, 10, 12-14. Es ergeben sich neue interessante Einblicke in die elektronische Struktur dieser Systeme, wobei viele der beobachteten Eigenschaften gut durch theoretisch vorhergesagte geometrische Strukturen erklärt werden können und in Übereinstimmung mit den von anderen Gruppen experimentell bestimmten Stabilitäten der Cluster sind. Es zeigen sich aber auch interessante unerwartete Eigenschaften, speziell für den Cluster Si11+, der trotz einer unsymmetrischen vorhergesagten geometrischen Struktur eine äußerst gleichmäßige Elektronendichteverteilung aufweist.
Atomic clusters, as systems sized in a range between a few atoms and several thousand atoms, are the link between the single atom on the one side and the bulk material on the other. They exhibit special properties, which are fundamentally different from those of the atom or the bulk material. Understanding these properties and what is causing them allows fundamental insight into the processes relevant for the evolution of the properties starting from the atomic system via the differently seized clusters as intermediate steps and finally towards the bulk. Furthermore the special cluster properties are by themselves interesting for future technological innovations. Studying the fundamental properties of the clusters, without any influencing effects from a surrounding or adjacent substrate, is only possible in the gas phase. Spectroscopy by X-ray photons has the advantage that the core-levels of the clusters are accessible and thus X-ray spectroscopy is a local and element specific method. Therefore this method is especially suitable for investigating clusters of mixed materials. However, due to the low target density inside the free cluster beam and the relatively low photon flux for X-ray photon sources, investigating free clusters with X-ray spectroscopy is a quite challenging task. In this thesis an experimental setup is presented, which allows for the first time X-ray spectroscopy on free size-selected metal- and semiconductor-clusters at a synchrotron facility. The method used is ion-yield spectroscopy, which allows for separately analyzing the resonant and direct part of the core-level photoionization. As will be shown, this method can be used for an investigation of the clusters which provides similar information as X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The results of 2p core-level excitation are presented for three different cluster types, pure silicon clusters Sin+ in the size range n = 5-92, doped silicon clusters MSin+, with transition metal atom M = Ti, V, Cr and n = 15-17 plus ScSi16+, and pure aluminium clusters Aln+ with sizes n = 5-8, 10, 12-14. New and interesting insights into the electronic structure of these systems arise from the presented results and many of the observed properties can be plausibly explained by the theoretically predicted geometric structures and are in good agreement with experimental investigations by other groups on the stability of these clusters. Furthermore interesting and unexpected properties are found, especially for Si11+, which despite the predicted unsymmetric geometrical structure exhibits a remarkably uniform spatial distribution of the electron density.
