Action Spectroscopy of Strongly Bound Clusters in the Gas Phase

Aktionsspektroskopie von stark gebundenen Clustern in der Gasphase

  • The work presented in this thesis aims to provide experimental spectroscopic data to determine the geometric structures of strongly bound gas-phase clusters as function of their size and charge state. The development of spectroscopic methods which allow the study of the infrared spectra of clusters while using less common IR sources, infrared free electron lasers, was among the major objectives. Very generally applicable methods are presented, which allow previously inaccessible systems to be inThe work presented in this thesis aims to provide experimental spectroscopic data to determine the geometric structures of strongly bound gas-phase clusters as function of their size and charge state. The development of spectroscopic methods which allow the study of the infrared spectra of clusters while using less common IR sources, infrared free electron lasers, was among the major objectives. Very generally applicable methods are presented, which allow previously inaccessible systems to be investigated. These new techniques are combined with more established methods to obtain a deeper insight into the properties of a single system, magnesium oxide clusters. Tunable IR-UV two-color ionization allows the investigation of the IR spectra of neutral clusters. It is used to study semiconductor and metal oxide clusters in the mid and far-IR with the Free Electron Laser for Infrared eXperiments (FELIX) as the IR light source. For anionic (transition metal) clusters IR spectra are obtained using IR resonance enhanced multiple photon electron detachment spectroscopy, a technique that recently became possible with the availability of a more intense IR light source, the Free Electron Laser for Intra-Cavity Experiments (FELICE). The experiments are among the first utilizing this new laser. Instrument development and proof-of-principle experiments are performed for metal carbide clusters, which are also studied by anion photoelectron spectroscopy to provide useful information about the energetics of the electron detachment process. The method is then applied for the IR spectroscopy of the transition metal cluster anions of niobium. Magnesium oxide clusters of different size, charge state, and stoichiometry are studied by different IR spectroscopy methods. These cluster systems serve as models for a promising catalyst for the activation of methane. The structural differences between differently charged gas-phase clusters and the bulk structure are investigated, as well as the effects of the addition of oxygen and/or hydrogen to the clusters. Furthermore, reactions of the clusters with different ligands, such as water, methane, or carbon monoxide are examined.show moreshow less
  • Ziel der Doktorarbeit ist es, spektroskopische Informationen über die Geometrie von stark gebundenen Clustern in der Gasphase als Funktion ihrer Größe und ihres Ladungszustandes experimentell zu ermitteln. Der Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung von Methoden zur Infrarot-Spektroskopie von Clustern unter Verwendung von weniger üblichen Lichtquellen, Infrarot Freie-Elektronen-Lasern. Dabei werden Verfahren mit breiter Anwendbarkeit präsentiert, welche die Untersuchung bisher unzugänglicher SysteZiel der Doktorarbeit ist es, spektroskopische Informationen über die Geometrie von stark gebundenen Clustern in der Gasphase als Funktion ihrer Größe und ihres Ladungszustandes experimentell zu ermitteln. Der Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung von Methoden zur Infrarot-Spektroskopie von Clustern unter Verwendung von weniger üblichen Lichtquellen, Infrarot Freie-Elektronen-Lasern. Dabei werden Verfahren mit breiter Anwendbarkeit präsentiert, welche die Untersuchung bisher unzugänglicher Systeme erlauben. Diese neuen Techniken werden mit etablierteren Methoden kombiniert, um tiefere Einblicke in ein einzelnes System (Magnesiumoxid) zu erlangen. Mittels abstimmbarer IR-UV-Zwei-Farben-Ionisation werden die IR-Spektren von neutralen Clustern bestimmt. Halbleiter und Metalloxid Cluster werden mit ihr im fernen und mittleren Infrarotbereich untersucht. Dabei kommt der Freie-Elektronen-Laser für Infrarot-Experimente (FELIX) zum Einsatz. Für anionische (Übergangsmetall-) Cluster können IR-Spektren mittels IR-Resonanz-Verstärkter-Mehr-Photonen-Elektronenablösung aufgenommen werden. Diese Technik wurde erst kürzlich durch die Verfügbarkeit einer intensiveren Infrarot Strahlungsquelle, dem Freie-Elektronen-Laser für Intra-Cavity-Experimente (FELICE), ermöglicht. Die hier vorgestellten Experimente zählen zu den ersten, die diesen neuen Laser verwenden. Die Instrumentenentwicklung und der Nachweis des Funktionsprinzips der Messmethode erfolgen durch Messungen an Metallkarbiden. Diese wurden zusätzlich mit Anionen-Photoelektronen-Spektroskopie untersucht, welche nützliche Informationen über die Energetik des Elektronenauslöseprozesses liefert. Die Methode wird anschließend dazu genutzt, IR-Spektren von Übergangsmetall-Clustern aus Niob zu gewinnen. Magnesiumoxid-Cluster mit unterschiedlicher Größe, Ladungszustand oder Stoichiometrie werden mittels verschiedenster IR Spektroskopiemethoden untersucht. Diese Cluster dienen als Modellsysteme für einen der vielversprechendsten Katalysatoren für die Aktivierung von Methan. Die strukturellen Unterschiede zwischen verschieden geladenen Gasphasen-Clustern und der Festkörperstruktur, sowie der Einfluss von zusätzlichem Sauerstoff und/oder Wasserstoff, werden erforscht. Zusätzlich wird die Reaktivität der Cluster mit verschiedenen Liganden, wie Wasser, Methan und Kohlenstoffmonoxid analysiert.show moreshow less

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Metadaten
Author: Marko Härtelt
URN:urn:nbn:de:kobv:83-opus-36428
Advisor:Prof. Dr. Gerard Meijer
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2012/09/03
Publishing Institution:Technische Universität Berlin
Granting Institution:Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Date of final exam:2012/08/16
Release Date:2012/09/03
Tag:Cluster; Freie Elektronen Laser; Molekülstrahlen; Schwingungsspektroskopie
cluster; free electron laser; molecular beams; vibrational spectroscopy
Institutes:Externe Einrichtungen
Dewey Decimal Classification:530 Physik
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