Ions colliding with Polycyclic Aromatic Hydrocarbons and - DiVA

118 Pages·2013·12.86 MB·English

IonscollidingwithPolycyclicAromaticHydrocarbonsandFullerenes

Ions colliding with Polycyclic
Aromatic Hydrocarbons and
Fullerenes
Fabian Seitz
(cid:13)c FabianSeitz,Stockholm2013
ISBN978-91-7447-649-1
PrintedinSwedenbyUS-AB,Stockholm2013
Distributor:DepartmentofPhysics,StockholmUniversity
To Anita and Linus

Abstract
In this thesis a series of experiments on collisions between atomic projectile
ions at keV energies and target vapors of either isolated molecules or van
der Waals clusters is presented and analyzed. The molecules under consider-
ationbelongtothePolycyclicAromaticHydrocarbons(PAHs)orFullerenes.
TheatomicionsareproducedinanElectronCyclotronResonance(ECR)ion
source,acceleratedandguidedintothetargetvolume.Thechargedtargetcol-
lision products are mass-to-charge analyzed in a time-of-flight spectrometer.
Anthracene (C H ), Coronene (C H ) and two C H isomers, Pyrene
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and Fluoranthene, are the PAHs examined. The fullerene experiments were
performedwiththeBuckminsterfullerene,C .
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For projectile ions in low charge states, small impact parameter collisions
dominate, which leads to internal heating of the target. With isolated
molecules as targets, this typically results in ionization and often also in
fragmentation. For cluster targets energy and charge are rapidly distributed
among the cluster building blocks. This is followed by cluster evaporation
andverylimitedfragmentationoftheindividualmolecules.C+ andC+ are
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observed as products. These are due to the formation of the reactive C+
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ionsbydirectknockoutprocesses,whichreactwithanotherC ofthecluster
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toformdumb-bellshapedmolecules.
For projectile ions of high charge (Xe20+) electron transfer occurs over
much longer distances. Larger impact parameters dominate, leading to little
internal heating. For isolated molecule targets, intact molecular ions are the
maincollisionproducts.Chargedfragmentsstemmostlyfrommultifragmen-
tation following ionization to high charge states. A case study on the C H
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isomers Pyrene and Fluoranthene suggests that isomer effects are small, but
non-negligible. For cluster targets, the collision products consist mainly of
singlychargedmonomers.Fragmentationoftheindividualmoleculesiscom-
parativelystrong.Thissuggestsaquickdistributionofchargesfollowedbya
Coulombexplosion,whichleadstointernalheating.
The results show that weakly bound clusters do not sustain the impact of
keV-ionsandthatitispossibletoformnewmolecularstructures.
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Sammanfattning
Idennaavhandlingpresenterasresultatfrånexperimentdäratomärajonermed
kinetiska energier av storleksordningen kiloelektronvolt kolliderar med an-
tingenisolerademolekylerellermedsmåansamlingaravmolekyler(kluster).
Molekylerna som studeras tillhör gruppen polycykliska aromatiska kolväten
(engelskapolycyclicaromatichydrocarbons,PAH)ellersåkalladefullerener.
PAHsharenstruktursommotsvararettlitetflakavettenskiltatomlagergrafit
(grafen) med väteatomer bundna till dess rand. Fullerener är stora molekyler
därkolatomernabildarenslutenstruktur.JonernaskapasiensåkalladECR-
jonkälla(engelskaElectronCyclotronResonanceionsource),accelererasoch
kolliderar därefter med enskilda molekyler eller kluster. De positivt laddade
produkternafrånkollisionernaanalyserasmedhjälpavenflygtidsspektrome-
ter (engelska time-of-flight (TOF) spectrometer). De molekyler som studeras
är antracen (C H ), coronen (C H ), C H -isomererna pyren och fluo-
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ranten,ochbuckminsterfullerenenC .
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I kollisioner med lågladdade joner, t.ex. He2+, sker växelverkan på korta
avstånd från molekylerna, som därmed värms upp. Isolerade molekyler joni-
serastilllågaladdningstillståndochfragmenteraromenerginsomöverförsär
tillräckligt stor. Fragmentation leder antingen till flera små fragment eller till
emission av en eller flera neutrala atomer/molekyler. I det senare fallet är det
väteatomerellerC H -fragmentsomemitterasfrånPAHs,medanC emitte-
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rar en eller flera C -molekyler. I kollisioner med kluster fördelas den interna
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energinsåattdemolekylärabyggstenarnaskyddasfrånfragmentation.Avkyl-
ningen sker i detta fall genom sekventiella evaporationsprocesser där intakta
neutralamolekylerkastasutenefteren.Ikollisionermedklusteravfullerener
(C ) skapas även molekyler med 119 och 118 kolatomer, som bildas då C+
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eller C+ fragment reagerar med C -molekyler inuti ett kluster, vilket stöds
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avteoretiskaberäkningar.
Högladdadejoner(Xe20+)joniserarmolekylernapåstörreavståndochför-
orsakar därför lite uppvärmning. De enskilda molekylerna befinner sig efter
kollisionerna ofta i höga laddningstillstånd, är inte stabila längre och sönder-
fallerpga.destarkaCoulomb-krafterna.Ienjämförelsemedolikavarianterav
den klassiska över-barriär-modellen (engelska classical over-the-barrier mo-
del, COB) dras slutsatsen att skillnader i jonisationstvärsnitten kan förklara
de små skillnaderna i mass-spektra för C H -isomererna pyren och fluo-
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ranten. I klusterexperimenten observeras enkel- och dubbel-laddade kluster
samtenkelladdademolekyler(intaktaochfragment).Desenarekommerfrån
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Coulomb-fragmentering av högt laddade kluster, vilket visar att laddningen
snabbtdistribuerasjämntöverklustreninnandesönderfallerochattmoleky-
lernavärmsuppifragmentationsprocesserna.
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Zusammenfassung
IndieserDissertationwirdeineReihevonExperimentenpräsentiertundana-
lysiert, in denen Kollisionen zwischen Ionen mit kinetischen Energien im
keV-Bereich als Projektile und einzelnen Moleküle oder schwach gebunde-
nen Clustern aus denselben als Ziele durchgeführt wurden. Die untersuch-
ten Moleküle gehören zu den Stoffgruppen der polyzyklischen aromatischen
Kohlenwasserstoffe (PAK) oder der Fullerene. PAK bestehen aus mehreren
miteinander verbundenen Kohlenstoffringen, deren freie Enden mit Wasser-
stoffatomen verbunden sind. Fullerene sind große Moleküle, die aus einem
geschlossenen Käfig von Kohlenstoffatomen bestehen. Die Ionen werden in
einer Zyklotronresonanzionenquelle erzeugt, beschleunigt und in eine Inter-
aktionszonegelenkt,wosiemitdenZielmolekülenoder-clusternkollidieren.
FürdieErzeugungderisoliertenMolekülewirddaspulverförmigeAusgangs-
material durch Erwärmung in einem Ofen in einen gasförmigen Zustand ge-
bracht. Die Cluster werden produziert, indem zunächst ebenso ein Ofen ein
GasausdenMolekülenerzeugt,welchesineinthermischesGleichgewichtmit
einer Umgebung aus Heliumgas gebracht wird. Beim Austritt durch ein dün-
nesRohrwerdendurchschnelleAbkühlungClustergebildet.ImAnschlussan
die Kollisionen werden positiv geladene Produkte in einem Flugzeitmassen-
spektrometerregistriert.DiePAKAnthracen(C H ),Coronen(C H )und
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die beiden C H -Isomere Pyren und Fluoranthen werden untersucht. Diese
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sindflachundbestehenausbiszusechsKohlenstoffringen.DieExperimente
mit Fullerenen wurden mit dem Buckminster-Fulleren C durchgeführt, das
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inseinemAufbaueinemFußballähnelt.
Dienen Ionen in niedrigen Ladungszuständen, wie z.B. He2+, als Projek-
tile, so ist zu beobachten, dass die Wechselwirkung vorwiegend über kurze
Abstände stattfindet. Dies führt zur inneren Erwärmung der Ziele, d.h. diese
erhalten überschüssige Energie, die sie auf ihre inneren Freiheitsgrade ver-
teilen. Bei isolierten Molekülen als Ziele werden diese auf einen niedrigen
Ladungszustand gebracht oder werden durch die zusätzliche Energie insta-
bil. Letzteres verursacht entweder Fragmentierung, d.h. Zerbrechen in kleine
Fragmente, von denen mehrere geladen sein können, oder Evaporation, d.h.
die Abstoßung eines oder mehrerer neutraler Atome oder Molekülfragmen-
te. Bei den PAK sind dies Wasserstoffatome oder C H -Fragmente, während
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beiC dieEvaporationdurchdieAbstoßungvonC -Fragmentenstattfindet.
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Die innere Erwärmung der Ziele spielt auch in Experimenten mit Clustern
eine große Rolle. Dort wird die überschüssige Energie auf die Moleküle ver-
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