Bestimmung der mittleren Clustergröße und ortsspezifischen Zustände homogener Edelgascluster mittels Fluoreszenzspektroskopie

Der Übergang von mikroskopischen zu makroskopischen Systemen ist in den Naturwissenschaften von grundlegendem Interesse, da im zugehörigen Übergangsbereich größenabhängige Entwicklungen physikalischer Eigenschaften sowie auch gänzlich neue Prozesse auftreten. Edelgascluster ermöglichen einen experimentellen Zugang zur Untersuchung dieses Zwischenbereichs. Die durch Van-der-Waals-Kräfte gebundenen inerten Edelgasatome fungieren als Prototypsysteme zur Untersuchung derartiger fundamentaler Prozesse. Sie werden mittels einer Überschallexpansion erzeugt, bei der stets eine Verteilung unterschiedlicher Clustergrößen entsteht. Die Expansionsparameter beeinflussen die mittlere Clustergröße der erzeugten Verteilung, weshalb deren Variation größenabhängige Studien des Übergangsbereichs zwischen Atomen und Festkörpern ermöglicht. Die mittlere Clustergröße im Strahl wird seit langem mit Hilfe von empirischen Relationen bestimmt. Verschiedene Untersuchungen berichten über Abweichungen zwischen gemessenen und aus diesen Skalierungsgesetzen berechneten mittleren Clustergrößen, während andere Studien wiederum die empirischen Relationen belegen. Zur Überprüfung der Skalierungsgesetze wird ein Modell zur Bestimmung der mittleren Clustergröße aufgestellt, um aus Fluoreszenzanregungsspektren die mittleren Größen erzeugter Clusterverteilungen zu bestimmen. Die gewählte Methode ermöglicht zusätzlich die simultane Durchführung von grundlagenphysikalischen Experimenten über Clusterprozesse, hier insbesondere über Energie- sowie Ladungstransferprozesse und die Bestimmung der mittleren Clustergröße im Experiment. Das Modell verwendet gemessene Fluoreszenzintensitäten von Oberflächen- und Volumenzuständen homogener Edelgascluster, welche durch monochromatische Synchrotronstrahlung angeregt wurden. Typischerweise werden die ortsspezifisch angeregten Zustände über deren Anregungsenergien den exzitonischen Zuständen in Edelgasfestkörpern zugeordnet. Der Vergleich der beobachteten ortsspezifischen Anregungen mit dem aktuellen Stand des Wissens, basierend auf Untersuchungen an Edelgasfestkörpern, zeigt, dass die Zuordnungen widersprüchlich zueinander sind und für Edelgascluster neu diskutiert werden müssen. Weitere Indizien dafür liefern die Fluoreszenzanregungsspektren heterogener Edelgascluster, welche für Argon- und Neon-Cluster zeigen, dass je eine weitere Fluoreszenz von einem Oberflächenzustand zu beobachten ist. Diese werden in Edelgasfestkörpern jedoch als Volumenzustand angegeben. Mit der Zustandszuordnung nach den experimentellen Daten sind die Abweichungen der mittels Fluoreszenzspektroskopie gemessenen mittleren Clustergrößen zu den aus den Skalierungsgesetzen berechneten signifikant geringer als unter Verwendung der exzitonischen Zustände von Edelgasfestkörpern. Zum Nachweis heterogener Edelgascluster wird der strahlende Ladungstransfer ausgewählt, welcher bei diskreten Anregungsenergien ein charakteristischer Zerfallsprozess heterogener Edelgasdimere ist. Anhand spektral aufgelöster Lumineszenz wird erstmals gezeigt, dass dieser Zerfall ebenfalls in heterogenen Neon-Krypton- und Neon-Xenon-Clustern auftritt. Die Emissionsspektren des strahlenden Ladungstransfers zeigen weiterhin eine generelle Sensitivität auf die Stöchiometrie der erzeugten heterogenen Cluster und erlaubt Rückschlüsse auf deren Durchmischung. Hierbei wird ein bislang nicht identifizierter Prozess in Neon-Krypton-Clustern beobachtet, der zu einer Lumineszenzemission führt.