Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1326
Main Title: Photoionisation and Photofragmentation of Fullerenes
Translated Title: Photoionization und Photofragmentation von Fullerenen
Author(s): Korica, Sanja
Advisor(s): Uwe, Becker
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Seit ihrer Entdeckung erweckten die Fullerene großes Interesse aufgrund ihrer einzigartigen hochsymmetrischen Struktur. Dabei stellen die Erforschung ihrer elektronischen Struktur sowie ihr Fragmentationsverhalten, sowohl für Theoretiker als auch für Experimentalphysiker, eine Herausforderung dar. Wir haben präzise Messungen der emittierten Photoelektronen aus der Valenzschale von im gasförmigen und im festen Zustand befindlichen C60 und C70 durchgeführt, um verzweigungshältnisse, partielle Wirkungsquerschnitte und im Falle von C60 den Winkelanisotropieparameter der beiden C60 äußeren Molekülorbitale HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) und HOMO-1 zu bestimmen. Das Verzweigungshältnis der entsprechenden HOMO und HOMO-1 Zustände weist bei C60 die selbe oszillierende Struktur für beide Phasen auf. Im Falle von C70, ergibt sich jedoch ein deutliche Unterschied von 0,5 für den nichtoszillierenden Untergrund wenn man die Daten aus der Gasphase mit denen aus der festen Phase vergleicht. In allen Fällen zeigen die partiellen Wirkungsquerschnitte der beiden äußeren Molekülorbitale eine oszillierende Struktur mit exponentiellem Abfall, wobei die Frequenz der Oszillation mit dem Durchmesser der Fullerene verknüpft ist. Die Fourier-Transformation der Wirkungsquerschnitte liefert direkte Informationen über die geometrische Struktur der Moleküle, wie Radius des Kohlenstoffhältigs oder Dicke der Elektronenhülle. Insgesamt stimmen die experimentellen Werte mit verschiedenen theoretischen Vorhersagen gut überein, abgesehen von einer theoretisch zu erwartenden, resonanzartigen Struktur in den partiellen Wirkungsquerschnitten bei kleinen Photonenergien. Ferner untersuchten wir die Dynamik der Valenzschalen- und K-Schalen induzierte Fragmentation, welche durch suksessive Emission neutraler C2-Teilchen erfolgt. Bei der Valenzschalenionisation wurden die Wirkungsquerschnitte der C60q+-Ionen (q=1,2,3) sowie der C60-2m+- (m≤3) und C60-2m2+- (m≤5) Fragmente bestimmt und diskutiert. Ein möglicher Anregungsmechanismus bei C60 ist das Plasmon, eine kollektive Schwingung der äußeren Valenzelektronen. Das sogenannte Volumenplasmon verursacht eine Vergrößerung des Ionisationswirkungsquerschnittes von neutralem C60, insbesondere die C602+-Produktion ist dabei erhöht. Um Genaueres über die zugrunde liegenden An- und Abregungsprozesse zu erfahren, wurden Elektronen-Ionen-Koinzidenzmessungen durchgeführt. Hierin können C582+- oder C562+-Fragmente anhand ihrer emittierten Elektronen identifiziert werden, obwohl die Fragmentation auf einer längeren Zeitskala abläuft als die Ionisation. Oberhalb der K-Schalen-Ionisationsgrenze von C60 werden hauptsächlich doppelt und dreifach geladene Fullerene erzeugt. Zusätzliche Elektron-Elektron-Koinzidenzmessungen decken hierbei die Mechanismen der Mehrfach-Elektronen-Prozesse auf. So zeigen als Resultat, dass Beiträge zu den dreifach geladenen Fullerenen hauptsächlich von direkter Doppelionisation, angetrieben durch die Erzeugung eines Plasmons mit nachfolgendem Augerzerfall, stammen.
Due to their unique geometrical structure fullerenes have attracted much attention over the years since their discovery. However, a deeper understanding of their electronic structure and fragmentation behavior is still a challenge for both theoreticians and experimentalists. We have performed high resolution measurements of photoelectrons emitted from the valence shell of C$_{60}$ and C$_{70}$, for both gas phase and solid state samples, in order to obtain branching ratios, partial cross sections, and in the case of C$_{60}$ angular distribution anisotropy parameters of the two highest occupied molecular orbitals, HOMO and HOMO-1. The ratio between the corresponding HOMO and HOMO-1 levels, which consist of unresolved lines, exhibit the same oscillatory structure for both phases in the case of C$_{60}$, but shows an nonoscillating offset of 0.5 for the gas phase measurements compared to solid state data in the case of C$_{70}$. Fourier transformation of the cross section rations displays the information about the geometrical properties of the molecules; their radius and the thickness of the electronic hull. The partial cross sections of the two outermost molecular orbitals exhibit in both cases oscillations with a frequency related to the diameter of the molecule superposed on the exponential decay curve. The overall agreement between different theoretical calculations and our experiment for branching ratios, partial cross sections and beta parameters is very good except of a striking disagreement with respect to the predicted discrete resonance structure in the partial cross sections. We assume that resonances in the partial cross sections are quenched by the vibrations of the molecule. During the same measurement we recorded a new series of the K-shell photoelectron spectra of C$_{60}$ with particular empahasis on the qualitative analysis of all ionization processes. We also studied valence shell and K-shell induced fragmentation dynamics of C$_{60}$ which proceeds via a subsequent emission of neutral C$_{2}$ particles. In the valence region cross sections of the C$_{60}^{q+}$ ions (q=1,2,3) and of the fragments \{C$_{60-2m}^{+}$($m\leq3$),C$_{60-2m}^{2+}$($m\leq5$)\} are discussed. A possible excitation process for C$_{60}$ is the creation of a plasmon, a collective motion of the outer electrons. The so-called volume plasmon causes an enhancement of the ionization cross section of neutral C$_{60}$ accompanied by an increased production of C$_{60}^{2+}$. To learn more about the underlying excitation and relaxation processes, we performed corresponding electron-ion coincidence measurement. Here, fragments like C$_{58}^{2+}$ or C$_{56}^{2+}$ can be identified by their outgoing electrons, although the fragmentation takes place on a longer time scale than the ionization. Above the carbon K-shell of C$_{60}$ the main products are doubly and triply charged fullerenes. Corresponding electron-electron coincidence measurements were carried out to achive a deeper understanding about the fundamental processes causing the many-electron emission in this energy region. These results show that the main contributions to the triply charged ion yield is direct double photoionization of C$_{60}$ followed by Auger decay. However, in contrast to most atoms and molecules, it is driven by the plasmon excitation associated with the K-shell photoionization of C$_{60}$.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-12467
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1623
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1326
Exam Date: 7-Mar-2006
Issue Date: 29-Mar-2006
Date Available: 29-Mar-2006
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Fotoelektronenspektroskopie
Fullerenen
Photoionspektroskopie
Fullerenes
Photoelectron spectroscopy
Photoion Spectroscopy
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