Durch Expansion von Helium bei etwa 20bar und Temperaturen zwischen 6K und 12K lassen sich Tröpfchen aus He erzeugen, die zwischen 10¹³ und 10³ Atome enthalten. Durch Verdampfungskühlen herrscht im Inneren der Tröpfchen eine Temperatur von 0.37K, was eine ideale Umgebung für viele Untersuchungen darstellt, da alle Schwingungs- und die meisten Rotationsfreiheitsgrade ausgefroren sind. Durch Elektronenstoß werden elekronisch angeregte, positiv und negativ geladene He Atome und auch Elektronenblasen erzeugt. Die Wechselwirkung dieser Reaktanten mit verschiedenen Dotanten im Inneren auch auch an der Oberfläche der Heliumtröpfchen wird in erster Linie massenspektrometrisch untersucht.

Kontakt:
Univ.-Prof. Dr. Paul Scheier
E-Mail: Paul.Scheier@uibk.ac.at
Phone: +43 (0)512 507 52660

Im „ClusToF“-Experiment können Ionen mittels Laserspektroskopie untersucht werden. Dabei kommt eine neu entwickelte Methode zur effizienten Erzeugung von Komplexen aus Ionen und Heliumatomen zum Einsatz, bei der hochgeladene und dotierte Heliumtröpfchen mit einer Oberfläche kollidieren. Bei der Kollision entstehende Ionen-Helium-Komplexe können durch die Überlagerung eines Laserstrahls variabler Wellenlänge dissoziiert werden, was mit einem Flugzeitmassenspektrometer beobachtet werden kann. Das wissenschaftliche Hauptaugenmerk liegt momentan auf der Suche nach Trägern der diffusen interstellarer Banden, einer Gruppe von etwa 500 interstellaren Absorbtionslinien, von denen bis jetzt nur eine Handvoll Linien einem Träger, dem Buckminsterfullerene-Kation C₆₀⁺ zugeordnet werden konnten.Darüber hinaus untersuchen wir die Wechselwirkung zwischen Metallclustern und Treibhausgasen, um den Reaktionsmechanismus auf molekularer Ebene zu entschlüsseln und ihre katalytischen Eigenschaften sowie potenzielle Anwendungen in Umweltschutzstrategien zu beleuchten.

Univ.-Prof. Dr. Paul Scheier
E-Mail: Paul.Scheier@uibk.ac.at
Phone: +43 (0)512 507 52660

Aufbauend auf unserem kürzlich erschienenen Bericht [F. Laimer et al Phys. Rev. Lett. 123, 165301 (2019)] über die Produktion stabiler, hochgeladener Tröpfchen aus suprafluidem Helium wurde eine neue experimentelle Methode [Tiefenthaler et al. Rev. Sci. Instrum. 91, 033315 (2020)] entwickelt, um chemische Reaktionen in der Sub-Kelvin-Umgebung mit einer deutlich höheren Ionenausbeute im Vergleich zu früheren Aufbauten zu untersuchen. Wir demonstrieren eine neuartige Methode zur sanften Ionisierung von Dopandmolekül durch Protonentransfer, bei der die Fragmentierung selbst bei notorisch empfindlichen Molekülen weitgehend verhindert wird. Aktuelle Messungen haben vielversprechende Einblicke in die Rolle verschiedener Komplexe und Cluster bei der reversiblen Bindung von H2-Molekülen gewährt, mit Implikationen für Anwendungen im Bereich der Energiespeicherung. Darüber hinaus wurde die Struktur von Metallclustern durch Lösungsmittelsolvatisierung in Helium und anschließende Beobachtung von Lösungsmittelschalen effektiv aufgeklärt. Derzeit erforschen wir die Möglichkeit, kollisionsinduzierte Dissoziationsstudien durchzuführen, um die Bindungsenergien von Komplexen, die durch diese Metallcluster mit Treibhausgasen gebildet werden, genau zu bestimmen. Dadurch dient dies als repräsentatives Modellsystem für Katalysatoren.

Kontakt:
Dr. Olga V. Lushchikova
E-Mail: olga.lushchikova@uibk.ac.at

Botenstoff-Spektroskopie von C₆₀ Derivaten - Auf der Suche nach den Trägern der diffusen interstellaren Bänder

Seit der Entdeckung des Buckminster-Fullerens C₆₀ im Jahr 1985 wurde vermutet, dass dieses Molekül aufgrund seiner außergewöhnlichen Stabilität und des hohen Kohlenstoffgehalts im Weltraum vorhanden sein kann. Die Bestätigung erfolgte 2010, als C₆₀ und C₇₀ im Infrarotspektrum des planetarischen Nebels Tc1 identifiziert wurden. Dies weckte das Interesse an ihrer potenziellen Rolle als Träger der diffusen interstellaren Banden (DIBs), Linien im Sternenspektrum, die durch Lichtabsorption durch interstellaren Staub entstehen. Die genaue Identität der Moleküle, die diese Banden verursachen, und somit die chemische Zusammensetzung des interstellaren Staubs, ist bislang ein großes Rätsel geblieben. Nur das ionisierte Fulleren C₆₀⁺ konnte bisher eindeutig als Träger identifiziert werden. Viele weitere kohlenstoffhaltige Moleküle sowie Fullerenderivate gelten als vielversprechende Kandidaten zur Erklärung weiterer DIBs. Unser neuer Expermintieraufbau ist ideal dazu geeignet Absorptionsspektren dieser vielversprechende Kandidaten zu messen und mit astronomischen Daten zu vergleichen, um neue Träger der DIBs zu identifizieren oder potenzielle Kandidaten auszuschließen.

Publikation: Spectroscopy of helium-tagged molecular ions – Development of a novel experimental setup, Review of Scientific Instruments 94, 055105 (2023). DOI: 10.1063/5.0144239

Kontakt:

Dr. Elisabeth Gruber

E-Mail: E.Gruber@uibk.ac.at

Spektroskopie von He-markierten photoaktiven (metall)organischen Molekülen

Photoaktive organische Moleküle finden in Systemen zur Umwandlung von Sonnenenergie, als Photokatalysatoren und als Photosensibilisatoren in der photodynamischen Therapie Anwendung. Die genaue Kenntnis der photophysikalischen und photochemischen Eigenschaften der zugrundeliegenden Molekülkomplexe, und der Einfluss der natürlichen Umgebung auf diese ist daher von großem Interesse. Eine Kombination von Massenspektrometrie mit Laserspektroskopie, sowie die Isolierung und Einbettung in eine kryogene Umgebung, ermöglichen die Bestimmung der Geometrie, der elektronischen sowie der photodynamischen Eigenschaften dieser Moleküle in einer wohldefinierten Umgebung. Unsere neu aufgebaute Expermentieranlage wird dazu verwendet die elektronischen Struktur von (Bio)molekülen zu untersuchen und wie sich diese durch Veränderung der Umgebung, wie z.B. durch Anlagerung einzelner Wassermoleküle verändert.

Publikation: Gas-Phase Electronic Structure of Phthalocyanine Ions: A Study of Symmetry and Solvation Effects, Adv. Sci. 2307816 (2024). DOI: 10.1002/advs.202307816

Kontakt:

Dr. Elisabeth Gruber

E-Mail: E.Gruber@uibk.ac.at

Das Snowball-Experiment wurde gebaut, um den Einfluss von Elektronenstoß-Ionisation auf Helium-Nanotröpfchen zu untersuchen. Mittels zweier elektrostatischer Ablenkeinheiten können die in der Clusterquelle erzeugten Helium-Nanotröpfchen nach der Ionisation auf ihren Ladungszustand untersucht werden und so zum Beispiel Informationen über Auftrittsgrößen von bestimmten Ladungszuständen unterschiedlicher Polarisation gesammelt werden. Vor kurzem wurde der experimentelle Aufbau um eine Ofenkammer und separat belüftbare Deponierkammer erweitert. Unter Ausnutzung der Fähigkeit zur Masse-zu-Ladungs-Selektion der ionisierten, puren Helium-Nanotröpfchen können so gezielt Nanopartikel verschiedenster Materialen mit schmaler Größenverteilung erzeugt und zur weiteren Untersuchung auf Oberflächen deponiert werden.

Kontakt:
Anna Maria Reider
E-Mail: Anna-Maria.Reider@uibk.ac.at

Univ.-Prof. Dr. Paul Scheier
E-Mail: Paul.Scheier@uibk.ac.at
Phone: +43 (0)512 507 52660

Ein Multireflectron time-of-flight (MR-ToF) ist ein Massenspektrometer, das bereits seit mehreren Jahrzehnten im Einsatz ist. Wegen seiner geringen Kosten und hohen Massenauflösung ist es eine sehr beliebte Wahl, wenn eine gemaue Massenbestimmung gewünscht wird. Eines von sieben MR-ToFs, die im Rahmen einer Zusammenarbeit zwischen der Universität Darmstadt und der Universität Greifswald entwickelt und gebaut wurden, ist jetzt in einem unserer Labore in Betrieb. Neben den bereits erwähnten Vorteilen besticht der MR-ToF auch durch seine Vielseitigkeit. Im Moment verwenden wir das Multireflektron nicht für Anwendungen mit hoher Massenauflösung, sondern um Helium-Nanotröpfchen (HNDs) mit Millionen von Heliumatomen darin einzufangen und zu speichern. Zukünftige Pläne für dieses Gerät umfassen die Implementierung eines Lasers, um Zugang zu zeitaufgelöster Spektroskopie von Dopanden, die in die HNDs eingebettet sind, zu erhalten (Pump-Probe-Experimente), sowie die Beobachtung von Fluoreszenz, Messungen von Reaktionskinetiken und auch Änderungen des Versuchsaufbaus, um das hohe Massenauflösungsvermögen des Geräts zu nutzen.

Kontakt:
Matthias Veternik
E-Mail: Matthias.Veternik@uibk.ac.at

Univ.-Prof. Dr. Paul Scheier
E-Mail: Paul.Scheier@uibk.ac.at
Phone: +43 (0)512 507 52660

Magnetron Sputter Deposition ermöglicht die Erzeugung von metallischen Dünnschichten auf einer Vielzahl von Substraten. Das Wachstum der metallischen Filme lässt sich durch die Kombination verschiedener Sputter-Materialien, wie Titan oder Gold, und unterschiedlichen Entladungsspannungen sowie Prozessdrücken mit Argon oder auch Stickstoff, weitgehend kontrollieren und mit einer eingebauten Quarzkristall-Mikrowaage beobachten.

Im Gegensatz zu Festkörpern hängen die Eigenschaften solcher dünnen Schichten dabei nicht nur von ihrer elementaren Zusammensetzung ab, sondern werden stark durch ihre Schichtdicke und Mikrostruktur beeinflusst. Dadurch spielt die kontrollierte Produktion eine wesentliche Rolle in den Anwendungen zu gezielten Modifikationen verschiedener Oberflächen und in der Nanotechnologie. Zu den adaptierbaren Eigenschaften zählen unter anderem Veränderungen in der Oberflächenrauigkeit, in Absorption und Reflexion und in der elektrischen Leitfähigkeit. Diese können mithilfe von unserem Rasterkraftmikroskop (AFM), einem Rastertunnelmikroskop (STM), Absorptionspektroskopie und Vierpunktmessungen untersucht werden.

Univ.-Prof. Dr. Paul Scheier
E-Mail: Paul.Scheier@uibk.ac.at
Phone: +43 (0)512 507 52660