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Zeitaufgelöste Photoelektronenspektroskopie chemischer Reaktionen an Clustern

Subject Area Optics, Quantum Optics and Physics of Atoms, Molecules and Plasmas
Term from 2006 to 2014
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 25330272
 
Final Report Year 2015

Final Report Abstract

Nanopartikel im Größenbereich weniger Nanometer finden sich in immer mehr Alltagsartikeln. Ein Beispiel sind die Titandioxidpartikel in Zahncremes und Kosmetika. Das leuchtende Rot in alten Kirchfenstern wird durch Gold-Nanopartikel hervorgerufen. Die mittelalterlichen Glasbläser wussten natürlich nicht, dass sie Nanopartikel erzeugten, als sie Gold in die Glasschmelze einrührten. Heute lassen sich noch viel kleinere Teilchen erzeugen, die nur aus wenigen Atomen bestehen. Solche Teilchen haben spezielle Eigenschaften. Beispielsweise eignen sie sich als Katalysatoren oder als Lichtantennen in der Optik. Die Erforschung der Eigenschaften dieser kleinsten Nanopartikel ist ein wichtiger Teil der Nanoforschung. Generell werden die chemischen und optischen Eigenschaften aller Materialien von der Dynamik der Elektronen bestimmt. Offensichtlich verhalten sich die Elektronen in kleinsten Nanoteilchen anders als in den bekannten makroskopischen Festkörpern. Die ultraschnellen Bewegungen der Elektronen lassen sich nicht mit herkömmlichen Techniken untersuchen, denn die Elektronendynamik spielt sich im Femtosekundenbereich ab. Eine Femtosekunde ist ein Millionstel einer Milliardstel Sekunde - also ein wirklich kurzer Zeitraum. Die einzige Technik, die es ermöglicht, Prozesse im Zeitbereich weniger Femtosekunden zu untersuchen, ist die Laserspektroskopie. Mit speziellen Lasern können Lichtpulse mit einer Länge von wenigen Femtosekunden erzeugt werden. Für die Untersuchung der kleinen Teilchen werden zwei Pulse benötigt. Der erste Pulse löst den gewünschten Prozess aus - beispielsweise die Anregung eines Elektrons - und der zweite, verzögert eingestrahlte Puls wird verwendet, um das Schicksal des Elektrons nach der Anregung zu verfolgen. Im vorliegenden Projekt wurden Nanopartikel aus Schwermetallen, insbesondere Blei untersucht. Es gab bereits indirekte experimentelle Hinweise darauf, dass diese Teilchen einen halbleitenden Charakter haben könnten. Diese Vermutung konnte bestätigt werden. Kleinste Bleicluster besitzen angeregte Zustände mit Lebensdauern im Pikosekundenbereich, was eine typische Eigenschaft von Halbleitern ist. Wären die Teilchen metallisch, wie es eigentlich für Blei zu erwarten wäre, müssten die Lebensdauern der Zustände sehr viel kürzer sein, denn Metalle zeichnen sich durch eine ultraschelle Elektronendynamik aus. in zweites wichtiges Ergebnis des Projekts sind die extrem langen Lebensdauern angeregter Zustände in Cadmiumoxid- und Zinkoxid-Nanopartikeln. Das bedeutet, diese Teilchen müssen außergewöhnliche optische und chemische Eigenschaften aufweisen. Die Ursache für die Existenz derartig langlebiger Zustände konnte in Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Sierka in Jena aufgeklärt werden. Die Nanopartikel besitzen eine ungewöhnliche Geometrie, die an die Fullerene, die Nanohohlkugeln aus reinem Kohlenstoff, erinnert. Inwieweit sich die Erkenntnisse über die Elektronendynamik in Nanopartikel für konkrete Anwendungen ausnutzen lassen, ist heute nicht abzusehen. Die Entwicklung der Nanotechnologie steht noch ganz am Anfang und es mangelt an Techniken, um Objekte im Nanobereich zu positionieren und zu kontrollieren. Sicher ist aber, dass es in der Zukunft immer mehr Anwendungen der besonderen Eigenschaften der Nanomaterie in allen Bereichen der Technik, der Medizin und der Biologie geben wird.

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