Investigation of physicochemical processes leading to fragmentation of organic molecules in beta-carotene crystal bombarded with C60 and Ar872 projectiles

Celem niniejszej pracy było zbadanie procesu fragmentacji molekuł β-karotenu podczas rozpylania pociskami Ar872 oraz C60 . Zostało to zrealizowane poprzez analizę wyników symulacji komputerowych metodą dynamiki molekularnej procesu bombardowania kryształu β-karotenu pociskami C60 i Ar872 . Interpretacja otrzymanych wyników została wykonana przy pomocy widm masowych oraz szeregu statystyk sporządzonych w oparciu o dane pochodzące z przeprowadzonych symulacji. Do interpretacji wyników posłużono się również ilustracjami stworzonymi przy pomocy danych z symulacji.Analiza charakterystycznych fragmentów, na które rozpadały się molekuły β-karotenu wykazała, że zrywanie wiązań atomów węgla z atomami wodoru jest bardziej prawdopodobne niż zrywanie wiązań pomiędzy atomami węgla. W widmach rozpylonych cząstek nie zaobserwowano istotnego sygnału od pierścienia węglowego, który znajduje się na obu końcach molekułyβ-karotenu.Przeprowadzona analiza porównawcza pocisków C60 i Ar872 pozwala stwierdzić, że klaster argonowy jest lepszy w zastosowaniu do rozpylania substancji organicznych na potrzeby techniki SIMS. Wynika to po pierwsze z powodowania mniejszej fragmentacji molekuł organicznych, co ułatwia analizę widma masowego. Po drugie, klaster argonowy w mniejszym stopniu modyfikuje bombardowaną powierzchnię, co czyni z niego lepszy pocisk do profilowania głębokościowego próbek organicznych. Po trzecie, pocisk Ar872 cechuje się większym współczynnikiem rozpylania niż pocisk C60 o tej samej pierwotnej energii kinetycznej.Analiza miejsca pochodzenia rozpylonych fragmentów oraz map gęstości zdeponowanej energii pozwala zasugerować, że mechanizm oczyszczania powierzchni przez badane pociski jest silnie związany z gęstością zdeponowanej energii. W przeprowadzonych symulacjach, gęstość energii zdeponowanej pod powierzchnią jest zbyt mała, by rozbić molekułę, ale wystarczająca, żeby rozpylić ją w całości. Dlatego fragmenty, powstałe w bliskiej okolicy miejsca uderzenia pocisku są unoszone przez całe molekuły rozpylone z obszarów położonych dalej od miejsca uderzenia.The purpose of the thesis was to investigate the process of β-carotene molecules fragmentation during sputtering with Ar872 and C60 projectiles. It was accomplished by analyzing the results of molecular dynamics computer simulations of β-carotene crystal bombardment by C60 and Ar872 projectiles. Interpretation of the obtained results was done using mass spectra and a number of statistics based on the data from the simulations. The illustrations created using simulation data are also used to interpret the results.Analysis of the characteristic fragments, which β-carotene molecules disintegrate into, has shown that breaking up the bonds of carbon atoms with hydrogen atoms is more likely than breaking up bonds between carbon atoms. In the spectra of the sputtered particles, there was no significant signal found from the carbon ring located at both ends of the β-carotene molecule.The comparative analysis of the C60 and Ar872 projectiles indicates that the argon cluster is better for sputtering organic matter for SIMS technique. This is primarily due to inducing less fragmentation of organic molecules, which facilitates mass spectrum analysis. Secondly, the argon cluster modifies the bombarded surface to a lesser extent, making it a better projectile for depth profiling of organic samples. Finally, the Ar872 projectile has a higher sputtering yield than the C60 projectile of the same primary kinetic energy.Analysis of the origin of sputtered fragments and density maps of deposited energy suggests that the surface cleaning mechanism by studied projectiles is strongly related to the density of deposited energy. In the simulations performed, the density of energy deposited below the surface is too small to break down the molecule, but sufficient to sputter it. Therefore, the fragments, formed in the near vicinity of the impact site of the projectile, are carried by whole molecules sputtered from areas further away from the impact site