Nonlinear optical spectroscopy at the liquid-, solid- interface [Elektronische Ressource] / Ahmed Abdelmonem

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Nonlinear optical spectroscopy at the Liquid- / Solid- interface Ahmed Abdelmonem 2008 INAUGURAL – DISSERTATION zur Erlangung der Doktorwürde der Naturwissenschaftlich – Mathematischen Gesamtfakultät der Ruprecht – Karls – Universität Heidelberg Vorgelegt von *Ahmed Abdelmonem B.Sc., M.Sc. aus: Ägypten Tag der mündlichen Prüfung: * Optical spectroscopy Institute of Nuclear wastes Disposal (INE) - Karlsruhe research Center- Germany (FZK) @ : ahmed.abdelmonem@ine.fzk.de , www: amamonem.de Thema Nichtlinear optische Spektroskopie an der Flüssig- /Fest- Grenzfläche Ahmed Abdelmonem 2008 Gutachter: Priv. Doz. Dr. rer. nat. Michael Himmelhaus Priv. Doz. Dr. rer. nat. Hans-Robert Volpp ﻢﻴ ﺣِ ّﺮَ ﻟﺍ ﹺﻦ َﻤ ﺣ َّﺮ ِﻪ ّﹶﻠ ﹺﻢ ﺴﻢﻴِ ﺣّ ﺮﻟﺍ ِّﻪ ّﹶﻠIn the name of Allah, Most Gracious, Most MercifulImIm Na Nammeen Gon Gottettes, des, des Gns Gnääddigigenen,, d des Bes Baarmrmhherzerziiggenen. ىلاعت لا ق ﹴﻖ ﹶﻠ َﻋ ْﻦ ﻣِ ﹶﻥ ﺎ َﺴ ﻹ َﻖ ﹶﻠ َﺧ ( ۱) َﻖ ﹶﻠ َﺧ ﻱِ ﺬّ ﻟﹶ ﺍ َﻚ ّ َﺭ ﹺﻢ ﺳ ﺎ ﹾﺃ ﺮَ ﹾﻗ َﻢ ﹶﻠّ َﻋ ( ٤) ﹺﻢ ﹶﻠ ﹶﻘ ﺎ َﻢ ﹶﻠّ َﻋ ﻱِ ﺬ ﻟﹶّ ﺍ ( ٣) ُﻡ َﺮ ﻛ ﻷ َﻚ ُّﺑَﺭَ ﻭ ﹾﺃ ﺮَ ﹾﻗ ( ٢)( ٥) ْﻢ ﻠﹶ ْﻌ ﻳَ ْﻢ ﻟﹶ ﺎَ ﻣ ﹶﻥ ﺎ َﺴ ﻹGod said:Proclaim! (or read!) in the name of thy Lord and Cherisher, Who created- (1) Created man, out of a (mere) clot of congealed blood: (2) Proclaim!
Publié le : mardi 1 janvier 2008
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Nonlinear optical spectroscopy at the
Liquid- / Solid- interface



Ahmed Abdelmonem
2008 INAUGURAL – DISSERTATION
zur
Erlangung der Doktorwürde
der
Naturwissenschaftlich – Mathematischen
Gesamtfakultät
der
Ruprecht – Karls – Universität
Heidelberg



Vorgelegt von
*Ahmed Abdelmonem B.Sc., M.Sc.
aus: Ägypten
Tag der mündlichen Prüfung:

* Optical spectroscopy
Institute of Nuclear wastes Disposal (INE) - Karlsruhe research Center- Germany (FZK)
@ : ahmed.abdelmonem@ine.fzk.de , www: amamonem.de
Thema







Nichtlinear optische Spektroskopie an
der Flüssig- /Fest- Grenzfläche



Ahmed Abdelmonem
2008


Gutachter:
Priv. Doz. Dr. rer. nat. Michael Himmelhaus
Priv. Doz. Dr. rer. nat. Hans-Robert Volpp
ﻢﻴ ﺣِ ّﺮَ ﻟﺍ ﹺﻦ َﻤ ﺣ َّﺮ ِﻪ ّﹶﻠ ﹺﻢ ﺴﻢﻴِ ﺣّ ﺮﻟﺍ ِّﻪ ّﹶﻠ
In the name of Allah, Most Gracious, Most Merciful
ImIm Na Nammeen Gon Gottettes, des, des Gns Gnääddigigenen,, d des Bes Baarmrmhherzerziiggenen
. ىلاعت لا ق
ﹴﻖ ﹶﻠ َﻋ ْﻦ ﻣِ ﹶﻥ ﺎ َﺴ ﻹ َﻖ ﹶﻠ َﺧ ( ۱) َﻖ ﹶﻠ َﺧ ﻱِ ﺬّ ﻟﹶ ﺍ َﻚ ّ َﺭ ﹺﻢ ﺳ ﺎ ﹾﺃ ﺮَ ﹾﻗ
َﻢ ﹶﻠّ َﻋ ( ٤) ﹺﻢ ﹶﻠ ﹶﻘ ﺎ َﻢ ﹶﻠّ َﻋ ﻱِ ﺬ ﻟﹶّ ﺍ ( ٣) ُﻡ َﺮ ﻛ ﻷ َﻚ ُّﺑَﺭَ ﻭ ﹾﺃ ﺮَ ﹾﻗ ( ٢)
( ٥) ْﻢ ﻠﹶ ْﻌ ﻳَ ْﻢ ﻟﹶ ﺎَ ﻣ ﹶﻥ ﺎ َﺴ ﻹ
God said:
Proclaim! (or read!) in the name of thy Lord and
Cherisher, Who created- (1) Created man, out of a
(mere) clot of congealed blood: (2) Proclaim! And
thy Lord is Most Bountiful,- (3) He Who taught
(the use of) the pen,- (4) Taught man that which he
knew not (5)
Gott hat gesagt:
Lies im Namen deines Herrn, Der alles erschaffen
hat! (1) Er erschuf den Menschen aus einem Embryo,
(2) Lies! Dein Herr ist der Erhabenste,(3) Der das
Schreiben mit dem Schreibrohr lehrte, (4) Er lehrte
den Menschen, was er nicht wüsste (5)
ﻢﻴ ﻈ ﻌ ﻟﺍ ﷲﺍ ﻕﺪ ﺻﻢﻴﻈ ﻌ ﻟﺍ ﷲﺍ ﻕﺪﺻ


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ﹺﺑ ْ ﺍ ﻟ ﺍ ﻟ ْﹺﺑ ْ ﺍ ﻟ ﺍ ﻟ ْ ABSTRACT

Sorption-desorption of fatty organic compounds on clay minerals influence the
migration process of these compounds in their soil environment, particularly in aquatic
medium. In order to understand part of the interaction between such organic compounds and
clay minerals, a simple system was considered. Crystalline sapphire was taken as a model for
natural clay minerals, and methanol, ethanol, 1-Propanol, 1-butanol, chloroform and
propionic acid were chosen as simple but representative model molecules for the more
complex organic compounds found in soil. Linear and nonlinear techniques were combined to
study the mechanisms of interaction. Sum Frequency Generation (SFG) as a nonlinear
interface selective technique was used to probe the adsorption-desorption mechanism at the
interfaces for the different systems under study by tracking changes in their average
orientation and density at and in vicinity of the surface. Reflectivity in total internal reflection
geometry (TIR) was conducted to determine the optical constants of the interface with such
high precision that the analysis of the SFG data became feasible, in particular with respect to
the determination of molecular orientations. Contact angle and XPS technique were used as
inspection tools for the cleanness of the crystal surface. Particular accuracy was required in
this work to allow tracking of even subtle changes in the interactions. To achieve such high
accuracy, the commercial SFG system applied was further developed and improved to a level
of high stability and data reproducibility.
The study was carried out by observing the molecules under study through their
-1nonlinear optical vibrational fingerprints in the spectral range from 2500 to 4000 cm , which
covers the CH and OH vibrations of the selected media. It was found that the results are
highly dependent on the nature of the sapphire surface. In the literature, it has been speculated
that a strongly bound water layer exists on the sapphire surface prepared and cleaned with a
given procedure. All the reactions found and observed in the present study could be explained
in terms of hydrogen bonding competition.
Meanwhile and marginal off the presented study, two novel spectroscopic techniques
were developed. It is assumed that these techniques will be useful in future work on the
adsorption kinetics of organic molecules and compounds of different kind. The first technique
was the development of a real time spatially and temporally resolved sum frequency
generation system based on a broadband femtosecond laser source. The second technique was
a combination of in-situ Second Harmonic Generation (SHG) and Ellipsometry to probe
surface coverage and thickness of adsorbed layers of the Self-assembled organic Monolayers
(SAMs) simultaneously and in real time.
ABSTRACT

Sorptions- und Desorptionsprozesse von Kleinen organischen Säuren und anderen
Abbauprodukten aus der Zerfallskette biologischer Substanzen im Erdreich („Huminstoffe“)
auf Bodenmineralien spielen eine besondere Rolle in Bezug auf die Migration dieser
Substanzen, insbesondere in aquatischer Phase. Um derartige Prozesse besser verstehen zu
können, wurde in der vorliegenden Arbeit ein einfaches Modellsystem untersucht. Kristalliner
Saphir diente dabei als Modelloberfläche zur Simulation der Mineraloberfläche, während
einfache organische Alkohole, Lösungsmittel und Säuren, wie Methanol, Ethanol, 1-Propanol,
1-Butanol, Chloroform, und Propionsäure, als Modellsubstanzen für Huminstoffkomponenten
gewählt wurden.
Dieses Modellsystem wurde mit Hilfe linearer und nichtlinearer optischer
Vibrationsspektroskopien untersucht. IR-vis Summenfrequenzerzeugung als nichtlinear
optische grenzflächenspezifische Methode wurde dazu benutzt, die Adsorptions- und
Desorptionsprozesse der verschiedenen Modellsubstanzen auf der Saphiroberfläche im
Hinblick auf die mittlere Orientierung und Ordnung der Moleküle in unmittelbarer Nähe der
Oberfläche zu untersuchen. Linear optische Reflektionsmessungen wurden in
Totalreflexionsgeometrie (TIR, von engl. „Total Internal Reflection“) durchgeführt, um die
optischen Konstanten der verschiedenen Substanzen im relevanten spektralen Bereich und
unter der bei den nichtlinear optischen Messungen benutzten Meßanordnung zu bestimmen.
Kontaktwinkelmessungen und Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS, von engl. „X-ray
photoelectron spectroscopy“) wurden zur Charakterisierung der Kristalloberflächen
eingesetzt, insbesondere im Hinblick auf ihre Reinheit. Besondere Sorgfalt beim Betrieb des
Lasersystems war nötig, um selbst feine Unterschiede und Änderungen im Linienprofil der
SFG-Spektren zu verfolgen. Um die dazu erforderliche Stabilität des Lasersystems
sicherzustellen, wurde das System technisch weiterentwickelt und bezüglich
Betriebszuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit seiner Leistungsparameter verbessert.
Die Untersuchung der Flüssig/Saphirgrenzfläche erfolgte über das Studium der
nichtlinear-optischen Charakteristik der verschiedenen Systeme in einem spektralen Bereich
-1von 2500 bis 4000 cm , welcher die Regionen der CH und OH Streckschwingungen abdeckt.
Bei den Messungen stellte sich heraus, daß die Ergebnisse stark von der Natur der
eingesetzten Saphiroberfläche abhängen, und zwar nicht nur bezüglich ihres Schnittes (001
und 110 in der vorliegenden Arbeit), sondern insbesondere auch in Bezug auf ihre
Oberflächenbehandlung. In der Literatur wurde bereits darüber spekuliert, ob sich auf der
Saphiroberfläche in Abhängigkeit von ihrer Präparation eine festgebundene Wasserschicht
ausbilden könnte, die nicht einfach entfernt werden kann. Alle in der vorliegenden Arbeit
durchgeführten Untersuchungen sind in Einklang mit dieser Sichtweise und lassen sich durch
einen Wettbewerb zwischen Wasseradsorption und der Adsorption der jeweiligen organischen
Substanz erklären.
Neben dieser Hauptthematik wurden in der vorliegenden Arbeit auch zwei neuartige
spektroskopische Techniken zur Untersuchung dünner oberflächenadsorbierter organischer
Filme entwickelt, die möglicherweise für zukünftige Arbeiten auf dem Gebiet der
Huminstoffmigration oder verwandter Themen von Bedeutung sein könnten. Bei diesen
beiden Techniken, die am Ende der Arbeit kurz vorgestellt werden, handelt es sich zum einen
um eine Form der zeitaufgelösten Breitbandsummenfrequenzerzeugung unter Zuhilfenahme
eines Femtosekundenlasersystems sowie um eine Kombination aus spektraler Ellipsometrie
und optischer Frequenzverdopplung, die in situ und in Echtzeit die simultane Messung von
Oberflächenbedeckung und adsorbierter Schichtdicke erlaubt.

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