Time-resolved photoemission from mass-selected metal clusters and their complexes with biomolecules at insulating surfaces
Final Report Abstract
Ausgangspunkt der in diesem Projekt durchgeführten Untersuchungen waren Lumineszenzexperimente an aktivierten Silberoxid-Nanopartikelfilmen. Fokussierte Femtosekunden-Laserpulse wurden mittels eines Rasterlaser-Mikroskopes zur Generierung von zur Lumineszenz fähiger Spezies aus den nichtlumineszenten Silberoxidpartikeln verwendet. Es wurde demonstriert, dass mit diesem Aufbau die Grundanforderungen an die Verwendbarkeit der Silberoxid-Nanopartikelfilme als Datenspeichermedium erfüllt werden können. So konnten nur wenige Mikrometer große Strukturen schnell geschrieben (aktiviert) und durch Lumineszenzanregung wieder ausgelesen werden. Diese Strukturen und damit die gespeicherten Informationen waren über Monate stabil. Durch Einlagerung der Silberoxid-Nanopartikel in eine Gelatinematrix wurde, neben der mechanischen Stabilisierung, die Photosensitivität des Aktivierungsprozesses und die Lumineszenzquantenausbeute erhöht. Die Untersuchungen zeigten, dass der Aktivierungsprozess mit der Reduktion des Silberoxides zu metallischem Silber verbunden ist und auch thermisch induziert werden kann. Auf der Grundlage von Absorptions- und Lumineszenzspektren wurde die Bildung kleiner molekularer Silbercluster als mögliche lumineszierende Spezies diskutiert. Um mögliche Mechanismen, die zur Lumineszenz von reduzierten Silberoxid-Nanopartikeln führen könnten unter definierten Bedingungen zu untersuchen, wurde im Rahmen des Projektes eine Gasphasenapparatur (bestehend aus einer Clusterquelle zur Metallclusterherstellung, einer Ionenführung zur Massenselektion und zum Clustertransport, sowie einer Oktopol-Ionenfalle) umgebaut und um eine Ultrahochvakuumkammer erweitert. Diese neue Kammer wurde mit Techniken zur Oberflächenpräparation sowie einem Photoemissionsspektrometer ausgerüstet und mit einem kommerziellen Femtosekundenlasersystem kombiniert. Als Zugang zur zeitaufgelösten elektronischen Struktur der untersuchten Systeme wurde die Methode der Pump-Probe Zweiphotonen Photoemissionsspektroskopie mittels eines neuen Flugzeitspektrometers etabliert. Als Substratsystem wurden ultradünne Magnesiumoxidfilme, die auf einem Molybdän-Einkristall mit (100)-Oberfläche aufgewachsen wurden, gewählt. Der Grund hierfür waren die Isolatoreigenschaften der Filme bei gleichzeitiger Transparenz für Elektronen-Tunnelprozesse, wodurch Aufladungseffekte bei der Elektronenspektroskopie vermieden werden können. Diese Magnesiumoxidfilme und ihre Herstellung wurden charakterisiert und bezüglich des Einflusses von Oberflächendefektstrukturen auf die elektronische Struktur mit 2PPES untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die Bildung von Farbzentren (Sauerstoff-Fehlstellen) die Austrittsarbeit und damit die Isolatorbandlücke deutlich reduziert, sowie Einfluss auf Exzitonendynamik nimmt. Basierend auf den Lumineszenzexperimenten von aktivierten Silberoxid-Nanopartikeln, wurden Zweiphotonen Photoemissionsuntersuchungen an unter UHV-Bedingungen hergestellten Silberoxidfilmen durchgeführt um, weiteren Einblick in die Aktivierungsmechanismen zu erhalten. Dazu wurden Silberoxidpartikel auf dünnen Magnesiumoxidfilmen aufgewachsen und hinsichtlich der thermischen Reduktion, sowie ihrer Aktivierbarkeit analysiert. Der Aktivierungsprozess konnte auf die Bildung von Sauerstoff-Fehlstellen zurückgeführt werden. Diese Fehlstellen könnten eine mögliche Vorstufe zur Bildung kleiner molekularer Silbercluster darstellen. Erste Photoemissionsexperimente an massenselektierten kleinen Silberclustern wurden realisiert. Dazu wurden Ag3-Cluster hergestellt und zerstörungsfrei auf Magnesiumoxid deponiert. Die an diesem System durchgeführten Zweiphotonen Photoemissionsuntersuchungen wiesen auf einen partiellen Elektronentransfer aus dem Metallsubstrat auf die Cluster hin.
