Письма в ЖЭТФ, том 90, вып. 10, с. 712-717
© 2009 г. 25 ноября
Универсальный зондовый метод измерения температуры больших кластеров (наночастиц) в кластерном пучке
Г. Н. Макаров+1\ А. Н. Петин+*
+ Учреждение Российской академии наук Институт спектроскопии РАН, 142190 Троицк, Московская обл., Россия * Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований, 142190 Троицк, Московская обл., Россия
Поступила в редакцию 20 октября 2009 г.
Предложен и экспериментально реализован универсальный зондовый метод измерения температуры больших кластеров (наночастиц) в кластерном пучке. Описан метод и представлены результаты измерений с помощью него температуры больших ван-дер-ваальсовых кластеров (наночастиц) (СОг)лг (N > 102 - число мономеров в кластере) в кластерном пучке, с использованием молекул SFe в качестве миниатюрных зондов-термометров. Молекулы SFe захватываются кластерами (СОг)лг в пересекающихся кластерном и молекулярном пучках и через определенное время сублимируют с поверхности кластеров, неся информацию о скорости и температуре (внутренней энергии) кластеров. Времяпролет-ным методом измерена скорость (кинетическая энергия) молекул SFe, сублимировавших с поверхности кластеров, и определена температура кластеров: Тсi = (105 ± 15) К.
РАСЭ: 33.80.^Ь, 36.40.^с, 37.20.+Л, 42.62.Fi, 81.07.^Ь
1. В настоящее время актуальны исследования с кластерами и наночастицами [1-8]. Кластеры с числом частиц N > 102 и наночастицы представляют собой одни и те же агрегаты. Интерес к исследованию кластеров и наночастиц обусловлен их уникальными свойствами, размерными эффектами, а также их применением в нанотехнологии для изготовления миниатюрных быстродействующих электронных устройств и систем с большой памятью, нанесения тонких пленок, получения новых материалов и обработки поверхности [1-5]. Металлические и композитные кластеры и наночастицы привлекают большой интерес также в связи с их использованием в качестве объектов для поиска новых высокотемпературных сверхпроводников [6,9,10]. Использование кластеров и наночастиц для указанных целей предполагает знание их физических, химических и термодинамических свойств.
Одним из наиболее важных физических параметров кластеров и наночастиц является их температура (внутренняя энергия). От нее зависят многие свойства кластеров, в том числе поляризуемость, магнитный момент, потенциал ионизации, оптический отклик, а также структура и конфигурация кластера, фазовое состояние (см., например, обзор [7] и приведенные в нем ссылки). От температуры кластеров сильно зависят физико-химические процессы с участием кластеров и кластерных пучков, в том числе
^ e-mail: gmakaroveisan.troitsk.ru
скорости фрагментации (испарения) и химических реакций, каналы фрагментации, скорости и каналы релаксации энергии [7]. Поэтому актуальной и важной задачей является разработка методов диагностики кластеров и наночастиц и методов измерения их температуры.
Существует ряд методов определения температуры кластеров и наночастиц [7]. Основными из них являются: метод дифракции электронов [11,12]; детектирование равновесного излучения от возбужденных или нагретых кластеров [13,14]; измерение температуры подложки, на которой адсорбированы кластеры [15-17]; определение температуры кластеров, получаемых в сопловых источниках без газа-носителя, на основе термодинамических параметров вещества, из которого состоят кластеры [18-20]; измерение температуры возбужденных и фрагментирующих кластеров по кинетической энергии отлетающих фрагментов [19,21,22]. Особое место занимает уникальный и прецизионный метод измерения температуры кластеров (нанокапелек) сверхтекучего гелия 4Не по спектрам ИК поглощения внедренных в них молекул [7,23-25].
Недавно в работе [26] нами было показано, что молекулы БРе, захваченные большими ван-дер-ваальсовыми кластерами (СОг)лг в пересекающихся кластерном и молекулярном пучках, через определенное время сублимируют с поверхности кластеров и несут информацию о скорости и температуре кластеров. На основе спектров инфракрасного мно-
гофотонного поглощения (ИК МФП) молекул SFe, сублимирующих с поверхности кластеров, нами была оценена температура наночастиц (СОг)лг в кластерном пучке (Тс 1 < 150 К) [26]. Однако для определения температуры кластеров необходимо знать либо кинетическую, либо внутреннюю энергию (квантовое состояние) молекул, сублимирующих с поверхности кластеров. В данной работе с помощью времяпро-летного (ВП) метода нами измерена кинетическая энергия молекул SFe, сублимирующих с поверхности кластеров, и на основе этих измерений установлена температура кластеров.
2. В предложенном методе для определения температуры кластеров и наночастиц в качестве зонда-термометра используются молекулы (либо атомы). Молекула захватывается кластером, а после термали-зации с ним сублимирует (испаряется) с его поверхности. Кинетическая и внутренняя энергии (квантовое состояние) молекулы являются мерой кластерной температуры. Этот метод во многом аналогичен методу измерения температуры кластеров на основе кинетической энергии отлетающих фрагментов [21,22]. Однако в данном методе не требуется возбуждать кластер и индуцировать его фрагментацию. Для реализации данного метода необходимо, чтобы энергия связи мономеров в кластере была больше энергии связи кластерной молекулы с молекулой-зондом. В этом случае от кластера без его возбуждения с большей вероятностью будут сублимировать захваченные молекулы, а не молекулы (атомы) самого кластера.
Указанное выше условие выполняется для многих кластеров и молекул (атомов), и оно было реализовано в описываемых в данной работе экспериментах. Теплота (энергия) сублимации SFe (5.46 ккал/моль [27]) меньше теплоты сублимации СОг (6.03ккал/моль [27]). Вероятность сублимации (испарения) молекул с поверхности кластера увеличивается при захвате молекул, поскольку их энергия передается кластеру, в результате чего температура кластера повышается [24,25,28].
Суть эксперимента и метода поясняет рис.1. Интенсивный импульсный кластерный пучок (СОг)лг пересекался под прямым углом с импульсным молекулярным пучком SFe- В зоне пересечения происходил захват молекул SFe кластерами (СОг)лг-При этом молекулы передавали кластерам импульс [24,25,28], в результате чего кластеры отклонялись на определенный угол. Для получения кластерного пучка использовалось импульсное сопло типа токовая петля [29] с диаметром отверстия 0.75 мм и длительностью импульса открывания около 120 мкс (по полувысоте). Срез сопла был выполнен в форме ко-
Skimmers
Pulsed molecular beam source
Cluster beam deflection angle, 0
Pulsed cluster beam source
Pyroelectric detector
/ „
Laserbeam/ Pyroelectric LjJ spot
detector movable
Рис.1. Схема эксперимента
нуса с полным углом раствора 26°. Длина конуса 30 мм. Давление газа над соплом изменялось в диапазоне от 0.5 до 4.5 атм. Формирование кластерных пучков с помощью импульсного сопла подробно изучено в работе [30]. В условиях данных экспериментов генерировались кластеры (СОг)лг с числом частиц N > 102—103. Отметим, что большие кластеры (СОг)лг имеют твердую структуру [7,11,12].
Для получения молекулярного пучка SFe использовалось импульсное сопло (электромагнитный клапан) типа "General Valve" с диаметром отверстия 0.8 мм. Длительность импульса открывания сопла была около 300 мкс по полувысоте. Давление газа над соплом изменялось от 0.5 до 2.5 атм. Для выделения кластерного и молекулярного пучков из импульсных струй, генерируемых с помощью указанных сопел, использовались конусные диафрагмы ("скимме-ры") с диаметрами входных отверстий соответственно 3 и б мм, которые располагались на расстояниях соответственно 30 и 26 мм от сопел. Детектирование молекулярного и кластерного пучков производилось с помощью неохлаждаемых пироэлектрических приемников (ПЭП), имеющих временное разрешение около 5-10 мкс [31,32]. Приемники могли устанавливаться на различных расстояниях от сопел. Вакуумная камера, в которой формировались молекулярный и кластерный пучки, откачивалась до давления и 3 • Ю-6 торр диффузионным насосом.
При проведении ВП измерений сублимировавшие с поверхности кластеров молекулы SFe возбуждались интенсивным импульсом СОг-лазера. Энергия излучения в импульсе была до ЗДж, длительность импульса по полувысоте - около 100 не. Возбуждалось активное в ИК области колебание 1/3 молекулы (948см-1 [33]). Процесс возбуждения молекул контролировался с помощью пироэлектрического метода детектирования поглощенной энергии [31,32,34,35]. Сигнал, индуцированный на ПЭП кластерным пучком и сублимировавшими молекулами, усиливался (фактор усиления составлял около 100) и подавался
на цифровой осциллограф Tektronix TDS-1002. Молекулярный и кластерный пучки работали в режиме одиночных импульсов. При измерениях сигнал с детектора усреднялся по 16 импульсам.
Угол отклонения кластеров при захвате молекул определяется соотношением
sin а
m\V\¡m2V2 + cosa'
(1)
где то 1, ш.2 и г»1, г»2 - соответственно массы и скорости кластеров и молекул, а а - угол между кластерным и молекулярным пучками. В условиях эксперимента (а = 90°, ти-2 ~ 146 а.е.м., г»1 и 450 м/с и г»г ~ 430 м/с - измеренные нами скорости кластеров и молекул в пучках) при захвате одиночных молекул БГб кластеры (СОг)лт с числом частиц N = 100 отклонялись на угол в к, 1.8°, ас N = 1000 - на угол в и 0.18°.
Время жизни т молекулы БРе на поверхности кластера (СОг)лг зависит от энергии сублимации (парообразования) БГб и температуры кластера (СОг)лг! и его можно оценить [36] из выражения
т = т0 exp(AEev/kBTd),
(2)
где то - период колебания молекулы на поверхности кластера относительно ван-дер-ваальсовой связи, АЕеу - теплота сублимации или парообразования на молекулу, Тс] - температура кластера (СОг)лг и кв -постоянная Больцмана. Сделанные нами оценки на основе существующих в литературе данных для приведенных в соотношении (2) параметров (то ~ Ю-13 с [7], теплота сублимации Ееу = 5.46ккал/моль [27], Тс] и 100—120К [7,12]) показывают, что время т составляет от нескольких десятков до нескольких сотен микросекунд. Сублимирующие с
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.