Här presenterar vi ett protokoll för fotoelektronen avbildning av anjon arter. Anjoner genereras i vakuum och åtskilda av masspektrometri är utforskad med velocity mappas fotoelektronen imaging, som tillhandahåller Detaljer för anjon och neutral energi nivåer, anjon och neutrala struktur och arten av anjon elektroniska staten.
Anjon fotoelektronen bildbehandling är en mycket effektiv metod för att studera energi stater bundna negativa joner, neutrala arter och interaktioner av obundna elektroner med neutrala molekyler/atomer. State-of-the-art i vakuum anjon generation tekniker så att ett brett spektrum av atom-, molekylär och kluster anjon system. Dessa är åtskilda och valt med hjälp av time-of-flight masspektrometri. Elektroner tas bort av linjärt polariserade fotoner (foto avlossning) med hjälp av bordsskivan laserkällor som ger tillgång till magnetiseringen energier från infra-röd till nära ultraviolett. Att upptäcka photoelectrons med en hastighet kartlagt imaging lins och position känslig detektor innebär att, i princip varje fotoelektronen når detektorn och upptäckt effektivitet är enhetlig för alla kinetisk energi. Fotoelektronen spectra utvinns ur bilderna via matematiska återuppbyggnad med en invers Abel transformation avslöja detaljer av anjon inre energi statliga fördelningen och resulterande neutral energi staterna. På låga elektron kinetisk energi är typiska upplösning tillräckligt för att avslöja energi nivå skillnader på order av några millielectron-volt, dvs, olika vibrations nivåer för molekylstorleken eller spin-orbit uppdelning i atomer. Fotoelektronen kantiga distributioner utvinns ur inversen Abel omvandling representerar underskrifter av bundna elektronen orbitalen, vilket gör att mer detaljerade sondering av elektroniska struktur. Den spectra och kantiga distributioner koda också Detaljer för samspelet mellan utgående elektronen och den resterande neutral arten efter magnetisering. Tekniken illustreras av för att en atom anjon (F−), men det kan också tillämpas på mätning av molekylär anjon spektroskopi, studiet av lågt liggande anjon resonanser (som ett alternativ till scattering experiment) och femtosekund ( FS) tid löst studier av dynamiska utvecklingen av anjoner.
Anjon fotoelektronen imaging1 är en variant på fotoelektronen spektroskopi och representerar en kraftfull sond på atomär/molekylär elektronisk struktur och interaktioner mellan elektroner och neutrala arter. Den information som erhålls är viktigt för att utveckla förståelsen av bundna och metastabila (electron-molekyl scattering resonanser) negativ jon stater, dörröppning stater för kemisk reduktion, dissociativ fastsättning processer och ion-molekyl interaktioner. Dessutom resultaten ger viktiga tester av hög nivå rättsverkan teoretiska metoder, särskilt för att ta itu med starkt korrelerade system och/eller icke-stationära medlemsstater.
Tekniken kombinerar ion produktion, masspektrometri och laddad partikel imaging2,3,4 till känsligt sonden elektroniska (och för små molekyler, vibrational) struktur. Arbeta med anjoniska arter kan bra massa selektivitet via tid för flygning masspektrometri (TOF-MS). Synlig/nära ultraviolett (UV) fotoner är tillräckligt energiska ta bort överflödiga elektronen, medger användning av tabell top laserkällor. En ytterligare fördel av användningen av anjoner är förmågan att photoexcite låglänta, instabil anjon stater som representerar energi regimer som de elektroner och neutrala atomer/molekyler starkt interagera. Användning av velocity mappas imaging5 (VMI) ger enhetlig upptäckt effektivitet, även vid låga elektron kinetiska energier, övervakar alla utkastade photoelectrons och avslöjar samtidigt magnitud och riktning av deras hastigheter.
Experimentella resultat är fotoelektronen bilder som innehåller fotoelektronen spectra (Detaljer om förälder anjon inre energi distributioner) och energier dotter neutrala inre staternas och fotoelektronen kantiga distributioner (relaterade till den Electron orbital före avskildheten). En särskilt intressant tillämpning av tekniken finns i fs tid-löst studier. En inledande ultrasnabb laserpuls (pump) hetsar till dissociativa anjon elektroniska tillstånd, och en andra temporally fördröjd ultrasnabb puls (probe) då lossnar elektroner från den glada anjonen. Kontroll av pump-probe tidsskillnaden följer utvecklingen av energi påstår av systemet och den föränderliga karaktären hos orbitalsna av systemet på tidsskalan i atomic förslaget. Exempel inkluderar vattenmolekylens av I2− och andra interhalogen arter6,7,8,9, fragmentering eller electron boende i jag−·uracil 10,11,12,13, jag−·thymine13,14, jag−·adenine15, jag−·nitromethane16, 17 och jag−·acetonitrile17 kluster anjoner och uppenbarelsen av hittills oväntat lång tidsskalan för produktion av Cu− Atom anjoner efter photoexcitation CuO2− 18.
Figur 1 visar den Washington University i St Louis (WUSTL) anjon fotoelektronen imaging spektrometer19. Instrumentet består av tre differentially pumpade regioner. Joner produceras i källa kammaren som driver vid ett tryck på 10−5 Torr och innehåller en ansvarsfrihet Jon källa20och elektrostatisk ion utvinning plattan. Joner är åtskilda av massan i en Wiley-McLaren TOF-MS21 (trycket i TOF-röret är 10−8 Torr). Ion upptäckt och sondering äger rum i regionen upptäckt (pressa av 10−9 Torr) som innehåller en VMI lins5 och en laddad partikel detektor. De viktigaste komponenterna i instrumentet illustreras schematiskt i figur 1b där skuggade regionen representerar alla de element som ingår i vakuum systemet. Gas tillförs ansvarsfrihet genom pulsad munstycket. För att kompensera höga inloppstrycket, upprätthålls källa kammaren under vakuum med en oljebaserad diffusion pump. Regionen ansvarsfrihet illustreras mer detaljerat i figur 2a. En hög potentialskillnad tillämpas mellan elektroderna, som är isolerade från ansiktet av munstycket med en serie av Teflon distanser. I själva verket fungerar Teflon som källa för fluoratomer för resultaten visas senare.
Ansvarsfrihet producerar en blandning av anjoner, katjoner och neutrala arter. Ion utvinning plattan, ion acceleration stack, potentiella växeln och microchannel plattan (MCP) detektor (figur 1b) bildar den 2 m lång Wiley McLaren TOF-MS. joner utvinns genom tillämpning av en (negativ) spänning puls till ion utvinning plattan och sedan accelereras alla joner till samma rörelseenergi. Variant av utvinning puls omfattningen fokuserar ankomsttiden i VMI linsen medan einzel linsen minskar rumsliga tvärsnittet av ion beam. Anjoner är åter refererade till marken med hjälp av en potentiell switch22, tidpunkten för som fungerar som en massa diskriminator. Anjon urval uppnås genom att synkronisera ankomsten av en photon synliga/nära uv puls med ankomsttiden för anjonen i VMI linsen. Regionkommittén ion separation och detektion använder olja gratis turbopumps för att skydda imaging detektorn.
Anjoner och fotoner interagera för att producera photoelectrons i hela den rumsliga volymen av Steinmetz fast, som representerar överlappningen mellan ion och laser balkar. VMI linsen (figur 2b) består av tre öppna elektroder, vars syfte är att säkerställa att alla photoelectrons nå detektorn och att momentum utrymme fördelningen av photoelectrons bibehålls. För att uppnå detta, tillämpas olika spänningar till extractor och repeller sådan att, oavsett den rumsliga peka av beskärning, elektroner med samma inledande hastighet vektorn upptäcks vid samma punkt på detektorn. Detektorn består av en uppsättning chevron-matchade flerchipskretsar som fungerar som elektron multiplikatorer. Varje kanal har en diameter på order av några mikrometer, lokalisera vinsten och bevara ursprungliga inverkan position. En fosfor skärm bakom MCPsen anger positionen via den förstärkta elektron pulsen som en blixt av ljus som registreras med hjälp av en kostnad kopplade enhet (CCD) kamera.
Timing och varaktigheten av de olika spänning pulser krävs styrs med hjälp av ett par digitala dröjsmål generatorer (DDG, figur 3). Hela experimentet upprepas på grundval skott av skott med en upprepning frekvens på 10 Hz. För varje skott interagera flera joner och fotoner producerar några upptäckt händelser per kamera ram. Flera tusen ramar ackumuleras i en bild. Bild mitten representerar momentum utrymme ursprung och därmed avståndet från centrum (r) är proportionell mot hastigheten på en elektron. Vinkeln θ, (i förhållande till photon polarisering riktningen) representerar riktningen av en elektronens hastighet. En bild innehåller fördelningen av upptäckt händelsen tätheter. Det kan således även ses som representerar sannolikhetsdensiteten för detektion (vid en given punkt) av en elektron. Åberopar född tolkningen av vågfunktionen (ψ) en bild representerar | ψ | 2 för fotoelektronen23.
3D elektrontätheten sannolikheten är cylindriskt symmetrisk om polariseringen av den elektriska vektorn (εp) av strålning med åtföljande kryptering av information. Rekonstruktion av den ursprungliga fördelningen uppnås matematiskt24,25,26,27. Radiella fördelningen (av elektroner) i återuppbyggnaden är momentum (hastighet) domän fotoelektronen spectrumen som omvandlas till energi domänen genom tillämpning av lämpliga Jacobimatris omvandlingen.
Det anion fotoelektronen imaging spektrometer (figur 1) används i dessa experiment är ett specialbyggt instrument28. Inställningarna i tabell 1 och tabell 2 för protokollet är specifika för detta instrument för produktion av F− och avbildning av dess fotoelektronen fördelning. Flera liknande versioner av designen som används i olika forskning laboratorier6,29,30,31,32,33,34 , 35 , 36 , 37 , 38 , 39 , 40 , 41 , 42, men inga två instrument som är exakt lika. Instrumentets inställningar är dessutom starkt beroende av varandra och mycket känslig för små förändringar i villkor och instrumentet dimensioner.
Två faktorer är särskilt kritiska till framgång för protokollet beskrivs. Bästa möjliga hastighet mappning villkoren måste fastställas och mer avgörande, en tillräcklig och relativt tid invarianta avkastning på den önska anjonen måste produceras. Angående VMIEN fokuserar steg, steg 5.2 och 5.3 bör upprepas i tandem med bildanalys avgöra villkoret som ger de skarpaste (smalaste) bild funktionerna. Finjustering av elektroden spänningar (V5 och V6) påverkas av storlek och läge av ion och laser beam korsn…
The authors have nothing to disclose.
Detta material bygger på arbete stöds av National Science Foundation under CHE – 1566157
Digital Delay Generators | Berkeley Nucleonics Corp. | 565-8c | DDG1 |
Digital Delay Generators | Berkeley Nucleonics Corp. | 577-8c | DDG2 |
HV Power Supplies | Stanford Research Systems | PS325 | V3 |
HV Power Supplies | Stanford Research Systems | PS325 | V2 |
HV Power Supplies | Stanford Research Systems | PS325 | V5 |
HV Power Supplies | Burle Inc. | PF1053 | V9 |
HV Power Supplies | Burle Inc. | PF1053 | V4 |
HV Power Supplies | Burle Inc. | PF1053 | V10 |
HV Power Supplies | Burle Inc. | PF1054 | V9,V11 |
HV Power Supplies | Bertan | 205B-05R | V6 |
HV Pulsers | Directed Energy Inc. | PVX-4150 | V2 |
HV Pulsers | Directed Energy Inc. | PVX-4140 | V1 |
HV Pulsers | Directed Energy Inc. | PVX-4140 | V11 |
HV Pulsers | Directed Energy Inc. | PVX-4140 | V3 |
Pulsed Nozzle Driver | Parker Hannifin (General Valve) | Iota-One | |
Pulsed Nozzle | Parker Hannifin (General Valve) | Series 9 | |
Camera | Imperx | VGA120 | |
Imaging Detector | Beam Imaging Systems | BOS40 | |
Oscilloscope | LeCroy | Wavejet 334 | |
Photodiode | ThorLabs | DET10A | |
Diffusion Pump | Leybold | DIP 8000 | |
2×Turbo Pump | Leybold | TMP361 | |
Rotary Pump | Leybold | D40B | |
2×Rotary Pump | Leybold | D16B | |
Oxygen Gas | Praxair | OX 5.0RS | |
Tunable Laser | Spectra Physics Sirah Dye Laser | Cobra-Stretch | |
Pump laser for Dye Laser | Sepctra Physics Nd:YAG | INDI-10 |