Aufbau und Erprobung einer Molekularstrahlapparatur für die Präparation, Massenselektion, Deposition und Oberflächenstreuung von reinen und legierten Blei- und Zinnclusterkationen

Im Rahmen der Arbeit wurde eine Molekularstrahlapparatur entwickelt, mit der die Präparation, Selektion, Deposition und Oberflächenstreuung von reinen und legierten Clustern ohne eine Veränderung des Versuchsaufbaus durchgeführt werden konnte. Für die Clusterherstellung wurde eine Laserverdampfungsquelle aufgebaut, die hohe Intensitäten an kleinen, geladenen Metall- und Bimetallclustern lieferte. Die Massenselektion wurde durch die Kombination eines kolinear zum Clusterstrahl aufgebauten Flugzeitmassenspektrometers'mit einem pulsbaren, elektrostatischen Ionenspiegel realisiert. Durch einen neu entwickelten quasi-kontinuierlichen Betriebsmodus konnte die Transmission der Massenselektionseinheit um einen Faktor 10 bis 40 gegenüber herkömmlichen Flugzeitspektrometern gesteigert werden. Der Einsatz einer gepulsten Abbremseinheit führte zu einer Verbesserung der relativen Energieauflösung der Apparatur auf 2% bei gleichbleibender Transmission. Aus der oberflächen-induzierten Dissoziation wurde mit der Apparatur erstmals das reaktive Streuverhalten von kleinen Bleiclusterkationen mit 3 bis 20 Atomen verfolgt. Da solche Streuexperimente eine empfindliche Sonde sind, um die Wechselwirkung von Clustern mit Oberflächen zu studieren, wurde die hyperthermische Streuung an einer Graphitoberfläche systematisch in Abhängigkeit der Kollisionsenergie und der Clustergröße untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass im untersuchten Kollisionsenergiebereich von bis zu 400 eV neben Elektronentransferreaktionen auch Fragmentations- sowie Implantationsprozesse eine wichtige Rolle spielten. Das beobachtete Fragmentationsverhalten für kleine Kollisionsenergien deutete auf einen unimolekularen, sequenziellen Verlust von neutralen Atomen hin. Mit Hilfe quantenchemisch berechneter Bindungsenergien wurde die Kinetik dieser unimolekularen Zerfallsprozesse exemplarisch für Pb10+ auf der Basis der RRK-Theorie quantitativ modeliert. Außerdem wurden die Grenzen dieses Vorgehens für große Kollisionsenergien aufgezeigt.Beim Vergleich des Fragmentationsverhaltens von Bleiclustern mit Elementclustern gleicher Größe des leichteren Homologen Zinn offenbarten sich deutliche Unterschiede, da die Zinnclustern bevorzugt in stabile Untereinheiten dissoziieren. Die reaktive Streuung wies somit auf eine unterschiedliche elektronische und geometrische Struktur von kleinen Zinn- und Bleiclustern hin, was ebenfalls durch neuere quantenchemische Untersuchungen gestützt wird. Abschließend wurde die Streuung der Bimetallcluster Sn9 Pb+ und Pb9 Sn+ an einer HOPG-Oberfläche durchgeführt. Das Dissoziationsverhalten von Sn9 Pb + deutete ebenfalls auf ein bevorzugtes Abspalten des Bleiatoms hin, während beim Pb9 Sn+ über den ganzen Kollisionsenergiebereich Fragmentionen nachgewiesen werden konnten, die weiterhin das Sn-Atom enthalten. Diese Beobachtung zeigt, dass die Bindungsenergie von einzelnen Sn-Atomen in kleinen Bleiclustern offensichtlich deutlich größer ist als für den umgekehrten Fall. Somit eröffnet sich durch die oberflächen-induzierte Dissoziation die Möglichkeit, die Bindungsverhältnisse von legierten Clustern systematisch zu untersuchen