Molecular cluster cations of carbon monoxide and carbon dioxide [Elektronische Ressource] / Muhammer Bulat. Gutachter: Klaus Rademann ; Ulrich Panne ; Thorsten Marco Bernhardt

Herr Dipl.-Phys. Muhammer Bulat

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• Publié par: humboldt-universitat_zu_berlin
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 3
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 9 Mo

Extrait

Molecular Cluster Cations of Carbon
Monoxide and Carbon Dioxide
D I SS E RTATI O N
zur Erlangung des akademischen Grades
doctor rerum naturalium
(Dr. rer. nat.)
im Fach Chemie
eingereicht an der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I
Humboldt-Universität zu Berlin
von
Herr Dipl.-Phys. Muhammer Bulat
Präsident der Humboldt-Universität zu Berlin:
Prof. Dr. Dr. h.c. Christoph Markschies
Dekan der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I:
Prof. Dr. Lutz-Helmut Schön
Gutachter:
1. Prof. Dr. Klaus Rademann
2. Prof. Dr. Ulrich Panne
3. Prof. Dr. Thorsten Marco Bernhardt
eingereicht am: 23.02.2010
Tag der mündlichen Prüfung: 03.06.2010Abstract
This thesis deals with the metastable decay and the surface scat-
tering induced fragmentation in the hyperthermal energy range of rel-
+atively weakly bound molecular cluster cations. With (CO) andn
+(CO ) two related model systems were chosen for a systematic size2 n
dependent study. Surface impact experiments were carried out with
stainless steel and SiO covered Si(100) surfaces. Results were ob-2
tained by a new, compact reflectron time-of-flight mass spectrometer
(Re-TOFMS). Additional to the experimental data we present in this
work a detailed description of the instrumental design considerations,
numerical optimization, ion optical simulations and construction. We
discuss mass resolution and resolution limiting effects in Re-TOFMS.
Hence each ion optical component like electron guns, accelerator, de-
flector, mass gate and reflectron are described in detail. Numerical
optimization and ion optical simulations were used to develop a com-
pact instrument with high resolving power and mass selection capa-
bility. Despite the compact dimensions with a total flight length of
≈ 1.5 m the developed instrument possesses a high mass resolution
above m/Δm = 3000. Additionally it offers the possibility to per-
form mass separation of big cluster ions with sizes n≤ 190. As a
result mass-selected cluster ions can be studied for metastable de-
cay channels and for interactions with surfaces. As a model system
+small carbon dioxide cluster ions (CO ) with n≤ 15 were mass se-2 n
lected and collided with the stainless steel surface backplane of the
reflectron collider. In that case the reflectron collider was utilized
as an energy analyzer. Metastable decay channels and the origin of
fragmentation products were determined by kinetic energy analysis.
Comparable measurements with small carbon monoxide cluster ions
+(CO) withn≤ 40 impacted on a stainless steel surface and SiO cov-2n
ered Si(100) silicon surface were performed, too. For the cluster ions
of both molecules no evidence for shattering was observed even for rel-
atively high collision energiesE ≥ 500 eV. In the case of both clusteri
types metastable decay via unimolecular dissociation was observed for
the electron ionization or impact heated parent cluster.
Keywords:
Molecular Clusters, Metastable Decay, Surface Impact,
Time-of-Flight Mass SpectrometerZusammenfassung
Diese Dissertation handelt vom metastabilen Zerfall und von der
Oberflächenwechselwirkung im hyperthermalen Energiebereich rela-
+ +tiv schwach gebundener molekularer (CO) und (CO ) Clusterio-2n n
nen mit einer Edelstahloberfläche und einer mit der natürlichen SiO2
Oxidschicht belassenen Si(100) Siliziumoberfläche. Im Rahmen dieser
Arbeit wurde ein hierfür geeignetes spezielles Flugzeitmassenspektro-
meter entwickelt und aufgebaut. Entwurf, numerische Optimierung
der Auflösung, ionenoptische Simulationen und Aufbau der jeweiligen
Komponenten wie Elektronenquellen, Beschleuniger, Ablenkplatten,
Massenfilter und Reflektron werden detailliert beschrieben. Das ent-
wickelteFlugzeitmassenspektrometerbesitztmiteinerkompaktenGe-
samtfluglänge von≈ 1.5 m eine hohe Massenauflösung von m/Δm≥
3000. Es bietet die Möglichkeit, eine Massentrennung von Clusterio-
nen mit einer Größe von bis zu n≤ 190 vorzunehmen. Diese massen-
selektierten Clusterionen können daraufhin auf metastabilen Zerfall
und auf ihre Wechselwirkung mit einer Oberfläche untersucht werden.
+Dazu wurden Kohlendioxid-Clusterionen (CO ) mit n ≤ 15 mas-2 n
senselektiert und mit einer im Reflektron platzierten Edelstahlober-
fläche kollidiert. Hierbei wurde das Reflektron als Energieanalysator
eingesetzt. Über die kinetische Energie der Eltern-Clusterionen und
der Fragmentionen kann auf metastabile Zerfallskanäle und Herkunft
der Fte geschlossen werden. Vergleichbare Messungen wurden
+auch mit kleinen Kohlenmonoxid-Clusterionen (CO) mit n≤ 40 ann
einer Edelstahloberfläche und an einer Si(100)-Siliziumoberfläche vor-
genommen. Für die Clusterionen der beiden Moleküle war auch für
hohe Kollisionsenergien (E ≥ 500 eV) kein kompletter Zerfall in Mo-i
nomere nach der Oberflächenwechselwirkung nachweisbar. Aus den
experimentellen Beobachtungen wurde für die metastabilen Eltern-
clusterionen der beiden Moleküle geschlossen, dass diese sowohl bei
der Anregung durch Elektronenstoßionisation als auch durch Oberflä-
chenstoß durch das Abdampfen von Monomeren abkühlen.
Schlagwörter:
Molekülcluster, Metastabiler Zerfall, Oberflächenstoß,
Flugzeit-MassenspektrometerTo my family.
v*Rigid Body Sings
Gin a body meet a body
Flyin’ through the air,
Gin a body hit a body,
Will it fly? and where?
Ilka impact has its measure,
Ne’er a ane hae I,
Yet a’ the lads they measure me,
Or, at least, they try.
Gin a body meet a body
Altogether free,
How they travel afterwards
We do not always see.
Ilka problem has its method
By analytics high;
For me, I ken na ane o’ them,
But what the waur am I?
James Clerk Maxwell (1831–1879)
*dialect translation: “gin” = if...“ilka” = every...“ane” = one...“hae” = have...
“a’ ” = all... “ken” = know...“waur” = worse...
L. Campbell. The Life of James Clerk Maxwell, with a selection from his correspondence
and occasional writings and a sketch of his contributions to science. Macmillan, London,
1882.
viContents
1 Introduction 1
1.1 Research Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Thesis Content . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 Basic Principles 5
2.1 The Molecular Beam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.1 Beam Temperature and Velocity . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.2 Cluster Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.3 Size Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2 TOF Mass Spectrometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2.1 Progress in TOFMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2.2 Basic TOF Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2.3 Advanced TOF Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2.4 Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.5 Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2.6 Optimization Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3 Metastable Decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.4 Cluster-Surface Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3 Experimental Setup 36
3.1 Assembly and Vacuum System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.2 Cluster-Ion Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.2.1 Pulsed Nozzle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.2.2 Electron Guns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.3 Detection Sytems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.3.1 Faraday Cup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.3.2 MCP-Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.4 Electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4 Results and Discussion 42
4.1 TOFMS Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.1.1 Numerical Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.1.2 The Accelerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.1.3 The Deflector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.1.4 The Mass Gate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
viiContents
4.1.5 The Reflectron and Target Surface . . . . . . . . . . . . . 70
4.2 TOFMS Spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.2.1 Mass Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.2.2 Linear TOFMS Mass Resolution . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.2.3 Reflectron TOFMS Mass Resolution . . . . . . . . . . . . 84
4.2.4 Mass Separation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.2.5 Cluster Size and Intensity . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.3 Metastable Decay and Surface Impact . . . . . . . . . . . . . . . . 97
+4.3.1 Impact of (CO ) on Stainless Steel Surface . . . . . . . . 972 n
+4.3.2 of (CO) on Steel . . . . . . . . . 113n
+4.3.3 Impact of (CO) on SiO covered Si(100) Surface . . . . . 1292n
5 Summary and Outlook 142
5.1 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
5.2 Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .