Photoionisation und Anregung von van der Waals Clustern variabler Größe im Bereich der Innerschalenanregung

The studies presented in this thesis deal with resonant and non-resonant excitation of free variable size clusters using synchrotron radiation in the soft X-ray regime. The post collision interaction (PCI) effect is investigated in free variable size krypton and argon clusters near the Kr 3d and Ar 2p ionization energies. The core ionization energies of surface and bulk sites in variable size clusters can be clearly distinguished. This is mostly due to the polarization screening. It is found that the asymmetry, which is a consequence of PCI, is characteristically smaller for clusters than for isolated atoms. Moreover, there is less asymmetry for bulk sites than for surface sites in variable size rare gas clusters. We assign the results in terms of mechanisms that are based on quantum mechanical models of post collision interaction. Complementary experiments on the photoionization of free van der Waals clusters are performed by using zero kinetic energy (ZEKE) photoelectron spectroscopy in the Ar 2p-, Kr 3d-, Ne 1s-, and N2-regimes. The experimental approach is also suitable to detect cluster size dependent changes in electronic structure. This also allows us to study post collision interaction in variable size clusters. The parameters of the PCI profiles deduced for ZEKE experiments indicate that there are no significant changes in core ionization dynamics compared to near-threshold experiments. Results from model calculations in Kr 3d ionization energy indicate that different geometric sites can be clearly distinguished from each other by their substantial shift in Kr 3d ionization energy, though the dimer shows almost the same Kr 3d ionization energy as the free atom. A comparison with the experimental results indicates that there is resemblance with the model calculations, even though close-lying ionization energies are blended and require deconvolutions of the experimental spectra. It is evident from the present work that one can observe distinct shifts in core ionization energies in van der Waals clusters that are formed in wide size distributions of a jet expansion. The emission of ultraviolet fluorescence radiation from variable size argon clusters is investigated with high spectral resolution in the Ar 2p-excitation regime. The fluorescence excitation spectra reveal strong fluorescence intensity in the Ar 2p-continuum, but no evidence for the occurrence of discrete low-lying core-exciton states in the near-edge regime. This finding is different from the absorption and photoionization cross sections of argon clusters and the solid. The dispersed fluorescence shows a broad molecular band centered near 280 nm. The present results are consistent with the formation of singly charged, excited moieties within the clusters, which are assigned as sources of the radiative relaxation in the 280 nm regime. A fast energy transfer process (interatomic Coulombic decay, ICD) is assigned to be primarily the origin of these singly charged, excited cations besides intra-cluster electron impact ionization by Auger electrons. Our findings give possibly the first experimental evidence for ICD in the core level regime. Free, variable size nitrogen clusters are investigated in the N 1s excitation regime in comparison with the free molecule and solid nitrogen. The conversion of Rydberg states into core excitons, surface and bulk, was studied. The experimental results are simulated by ab initio calculations using (N2)13 as a reasonable prototype cluster structure that allows us to simulate both surface and bulk properties in comparison with the isolated molecule. The present results clearly show that there are specific properties, such as molecular orientation, in molecular van der Waals clusters, which do not exist in atomic van der Waals clusters. It is shown that inner and outer surface sites give rise to distinct energy shifts of the low lying surface core excitons.In der vorliegenden Dissertation wurden Experimente zur resonanten und nicht-resonanten Anregung von Clustern variabler Größe durchgeführt. Hierzu kam Synchrotronstrahlung im weichen Röntgenbereich zum Einsatz. Der "Post-Collision Interaction"-Effekt (PCI) wurde im Detail am Beispiel von Krypton und Argon-Clustern im Bereich der Kr 3d- und Ar 2p-Anregung studiert. Es lassen sich die Ionisierungsenergien von Atomen, die an der Oberfläche bzw. im Volumen gebunden sind, klar unterscheiden. Dies ist aufgrund der unterschiedlichen Polarisationsabschirmung möglich, die zu einer Verschiebung der Innerschalen-Ionisierungsenergien führt. Die Linienformen der Photoelektronenbanden werden asymmetrisch, wenn die Anregungsenergie geringfügig über der Ionisierungsenergie liegt. Dies lässt sich auf den PCI-Effekt zurückführen. Es wird beobachtet, dass die Asymmetrie vom isolierten Atom über Oberflächenatome zu den im Volumen gebundenen Atomen abnimmt. Diese Veränderung der Linienformen wird mit Hilfe von Mechanismen, die auf Grundlage von quantenmechanischen Modellen basieren, interpretiert. Komplementäre Experimente wurden an Argon- und Neon-Clustern zur Nullvolt-Photoelektronen-Spektroskopie (ZEKE) durchgeführt (Anregung der Ar 2p-Kante, Kr 3d-Kante, N2 1s und Ne 1s-Kante). Auch mit diesem Ansatz lassen sich größenabhängige Veränderungen der elektronischen Struktur in Clustern sowie die Bedeutung des PCI Effektes bestimmen. Ein Vergleich dieser Resultate mit der Anregung, die nahe der Ionisationsschwelle liegt, zeigt, dass es zu keiner signifikanten Veränderung der Ionisationsdynamik als Funktion der Anregungsenergie kommt. Berechnungen zur Ioniserungsenergien von Krypton-Clustern im Bereich der Kr 3d-Anregung zeigen, dass sich einzelne geometrische Orte klar in ihrer Ionisierungsenergie unterscheiden. Das Krypton-Dimer zeigt allerdings fast dieselbe 3d-Ioniserungsenergie wie das freie Atom. Der Vergleich mit den experimentellen Resultaten zeigt, dass eine gute übereinstimmung zwischen Modell und Experiment besteht. Allerdings müssen die experimentellen Spektren entfaltet werden, da die relativen Verschiebungen der Ionisierungsenergien zu gering sind und die Rumpflochlebensdauer zu einer Verbreiterung der Banden führt. Die Resultate belegen, dass sich ausgezeichnete Werte für Rumpfniveau-Ionisierungsenergien bestimmen lassen, obwohl die Cluster in breiten Größenverteilungen vorliegen. Dies lässt sich durch die ortsspezifische Photoionisation erklären. Die Emission von Fluoreszenzstrahlung im ultravioletten Spektralbereich nach Rumpfniveauanregung wurde im Fall von 2p-angeregten Argon-Clustern untersucht. Die hochaufgel östen Spektren zeigen hohe Intensität im 2p-Kontinuum, jedoch keinen Hinweis auf signifikante Beiträge im Bereich der Rumpfniveau-Excitonen. Dieses Ergebnis unterscheidet sich vom Absoprtions- und Photoionisationsquerschnitt von Argon-Clustern sowie festem Argon. Die dispergierte Fluoreszenz liefert eine intensive Bande bei 280 nm. Dieses Resultat lässt sich mit der Fluoreszenz von einfach geladenen, angeregten Argon-Clustern erklären. Die Bildung von einfach geladenen Ionen nach primärer Doppelionisation im Ar 2p-Kontinuum wird durch einen schnellen Energietransfer-Prozess (Interatomic Coulombic Decay, ICD) erklärt. Er läuft nach der Rumpfniveauanregung ab und liefert, neben der Elektronenstoßionisation durch schnelle Auger-Elektronen, einfach geladene Clusterfragmente, die nachfolgend strahlend relaxieren. Dieses Ergebnis ist als erster Hinweis darauf zu werten, dass der ICD-Prozess auch im Bereich der Innerschalenanregung auftritt. Freie Stickstoff-Cluster variabler Größe wurden im Bereich der N 1s-Anregung untersucht. Hier stand die Umwandlung der Rydberg-Zustände in die entsprechenden Oberflächen- und Volumen-Excitonen in Fokus der Studien. Die Resultate wurden mit denen zu freiem und kondensiertem Stickstoff verglichen. Die experimentellen Resultate lassen auch einen Vergleich mit ab initio Rechnungen zu, wofür (N2)13 als Prototyp-Cluster genutzt wurde, da hier sowohl oberflähen - als auch volumengebundene Moleküle auftreten. Diese Resultate zeigen signifikante Unterschiede im Vergleich zu atomaren Clustern. Es zeigt sich, dass die molekulare Orientierung die Lage der Excitonenbanden beeinflusßt. Ebenso treten signifikante Energieverschiebungen relativ zum isolierten Molekül auf, die sich durch Absorption von Zentren erklären lassen, die entweder auf der inneren bzw. äußeren Oberfläche der Cluster gebunden sind