Gasphasenuntersuchungen zu Geometrie und Ladungstransfer von Kohlenstoffclustern

Abstract

Kohlenstoffcluster wurden in der Gasphase untersucht. Eine neue, modulare Molekularstrahlapparatur wurde aufgebaut und erlaubt eine Reihe von Experimenten. Die Arbeit teilt sich in drei Teile auf: Im ersten Teil wird gezeigt, daß die beinahe resonante Ladungstransferreaktion C60 \+ Na(3p) --> C60- \+ Na\+ einen ungewöhnlich großen Alignmenteffekt zeigt (< rss > = 0.8 ± 0.2). In einem Kreuzstrahlexperiment wird das Natrium mit einem linear polarisierten Zweimodenfarbstofflaser angeregt. Der Alignmenteffekt wird beobachtet, indem gleichzeitig die Fluoreszenzabhängigkeit und die Abhängigkeit der C60- Anionen von der Polarisationsrichtung des Lasers aufgezeichnet wird. Es zeigt sich, daß beinahe nur Natriumatome, deren elektronische Ladungswolke asymptotisch entlang des relativen Geschwindigkeitsvektors ausgerichtet ist, zum Ladungstransfer führen. Dieser klare Effekt wird im Rahmen des "orbital following"-Modells und dem starken p-Charakter des LUMO (lowest unoccupied molecular orbital) im C60 interpretiert.

Der zweite Teil ist einer massenspektrometrischen Charakterisierung der Kohlenstoffcluster gewidmet. Kohlenstoffcluster werden durch Laserverdampfung und anschließende Überschalldüsenexpansion erzeugt. Es zeigt sich, daß die bimodale Verteilung der Kohlenstoffclusterkationen sogar trimodal sein kann. Diese dritte Mode wird durch Koaleszenzreaktionen kleinerer Fullerene in der Quelle erklärt. Die Untersuchungen mit reaktiven Trägergasen (Wasserstoff und Stickstoff) erlauben einen Einblick in die unterschiedlichen Geometrien von Kohlenstoffclusterkationen. Hinweise auf die Bildung langlebiger angeregter Neutralzustände in großen Fullerenen werden gezeigt.

Im dritten Teil werden die Geometrien der Kohlenstoffclusterkationen mit Hilfe der Gasionenchromatographie untersucht. Die Mobilität der Ionen in einem inerten Gas wird bestimmt. Ein Vergleich mit simulierten Mobilitäten für unterschiedliche geometrische Isomere erlaubt eine strukturelle Zuordnung der verschiedenen Isomere. Dies wird die Untersuchung der Reaktivität von Kohlenstoffclustern in Abhängigkeit ihrer Geometrie ermöglichen.

> Carbon clusters have been investigated in the gas phase. A new modular molecular beam apparatus has been set up and allows a variety of experiments.

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> This work divides up into three parts: In the first part, it is shown that the near-resonant charge transfer reaction C60 \+ Na(3p) --> C60- \+ Na+ exhibits an extraordinary large alignment effect (< rss > = 0.8 ± 0.2). In a crossed beam experiment, the sodium is excited using a linearly polarized two mode dye laser. The alignment effect is observed by simultaneously monitoring the dependence of the fluorescence and the C60- anions on the polarization direction. It is found that practically only sodium atoms with their electronic charge cloud asymptotically aligned along the relative velocity vector lead to charge transfer. The clear effect is interpreted in terms of the "orbital following" model and the strong p-character of the LUMO (lowest unoccupied molecular orbital) of C60.

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> The second part is dedicated to a mass spectrometric characterization of the carbon clusters. Carbon clusters are produced by laser-vaporization and subsequent supersonic expansion. It turns out that the bimodal distribution of carbon cluster cations may even be trimodal. This third mode is explained by the coalescence of smaller fullerenes in the source. The studies using reactive carrier gases (hydrogen and nitrogen) give some insight in the variety of the geometries of carbon cluster cations. Evidence for the formation of long-lived, excited neutral states in large fullerenes is presented.

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> In the third part, the geometries of the carbon cluster cations are investigated using the technique of gas phase ion chromatography. The mobility of the ions in an inert gas is determined. A comparison with the simulated mobilities of different geometric isomers allows a structural assignment of the different isomers. This will allow future studies of the reactivity of carbon clusters in dependence on their geometry.