FEL studies of complex metal nanoparticles and their structural dynamics

Abstract

Clusters are of great interest in studying material properties, occupying the phenomenological regime between the quantized behavior of atoms and molecules and the properties derived in the classical limit from those of bulk matter. As the chemical behavior of clusters is influenced primarily by their morphological properties and surrounding medium, understanding their native properties requires their study in the gas phase. This doctoral thesis describes the findings of multiple experiments designed to characterize the structural and morphological properties of gas-phase copper clusters produced by a method based on inert-gas condensation following pulsed-vaporization, and to study their dynamic evolution.

For the characterization of cluster properties, a custom spectrometer capable of mass spectrometry and momentum imaging of high-momentum ions, as well as Velocity Map Imaging spectroscopy of photoelectrons, was first designed and commissioned. An experimental setup was then designed with this spectrometer and a pulsed laser to study the photo-ionization and photo-fragmentation of complex clusters in the gas phase. The characterization data were interpreted using physical models, allowing for the retrieval of parameters to describe the morphology and internal structure of the clusters. The morphology of the same clusters was also studied via Small Angle X-Ray Scattering (SAXS) with a soft X-ray FEL at the Small Quantum Systems Instrument at the European XFEL. The clusters were found to be polydisperse agglomerates with fractal properties correlated to their growth times and conditions.

The evolution of these structural and morphological cluster properties was studied via time-resolved ion spectrometry and SAXS experiments over a hundred picoseconds after irradiation with an IR pump laser. Pump irradiation was found to trigger a reconfiguration of the clusters into a dense structure similar to melting, using the original methodology applied, which provides valuable information about the pathways of this evolution.

Cluster sind von großem Interesse für das Studium von Materialeigenschaften, da sie das phänomenologische Regime zwischen dem quantisierten Verhalten von Atomen und Molekülen und denjenigen Eigenschaften einnehmen, die sich im klassischen Grenzfall aus denen von Massivmaterial ableiten. Da das chemische Verhalten von Clustern in erster Linie durch ihre morphologischen Eigenschaften und ihr umgebendes Medium beeinflusst wird, erfordert das Verständnis ihrer intrinsischen Eigenschaften deren Untersuchung in der Gasphase. Diese Dissertation beschreibt die Ergebnisse mehrerer Experimente, die darauf ausgelegt sind, die strukturellen und morphologischen Eigenschaften von Kupferclustern in der Gasphase zu charakterisieren, die durch ein Verfahren erzeugt werden, das auf Inertgas-Kondensation nach gepulster Verdampfung basiert, sowie deren dynamische Entwicklung zu untersuchen.

Für die Charakterisierung der Clustereigenschaften wurde zunächst ein spezielles Spektrometer entwickelt und in Betrieb genommen, das Massenspektrometrie und Impulsabbildung von Ionen mit hohem Impuls sowie Velocity-Map-Imaging-Spektroskopie von Photoelektronen ermöglicht. Anschließend wurde ein experimenteller Aufbau mit diesem Spektrometer und einem gepulsten Laser entwickelt, um die Photoionisation und Photofragmentation komplexer Cluster in der Gasphase zu untersuchen. Die Charakterisierungsdaten wurden mithilfe physikalischer Modelle interpretiert, wodurch Parameter zur Beschreibung der Morphologie und der inneren Struktur der Cluster gewonnen werden konnten. Die Morphologie derselben Cluster wurde außerdem mittels Small-Angle X-Ray Scattering (SAXS) mit einem weichen Röntgen-FEL am Small Quantum Systems Instrument des European XFEL untersucht. Es wurde festgestellt, dass die Cluster polydisperse Agglomerate mit fraktalen Eigenschaften sind, die mit ihren Wachstumszeiten und -bedingungen korrelieren.

Die Entwicklung dieser strukturellen und morphologischen Clustereigenschaften wurde über mehrere hundert Pikosekunden nach der Bestrahlung mit einem IR-Pumplaser mittels zeitaufgelöster Ionspektrometrie und SAXS-Experimenten untersucht. Es zeigte sich, dass die Pump-Bestrahlung eine Rekonfiguration der Cluster zu einer dichten, dem Schmelzen ähnlichen Struktur auslöst, wobei die angewandte ursprüngliche Methodik wertvolle Informationen über die Entwicklungspfade dieses Prozesses liefert.