Techniklexikon

Clusterquelle

Apparatur zur Erzeugung von Clustern. Obwohl der komplexe Prozess des Clusterwachstums noch nicht vollständig verstanden ist (Clusterphysik), existiert eine Vielzahl von experimentellen Methoden, um Cluster aus unterschiedlichen Materialien mit variabler Grösse herzustellen. Neben der Möglichkeit, Cluster bzw. kleine kolloide Teilchen auf chemischem Wege in Lösung herzustellen, unterscheidet man zwei Grundtypen von Clusterquellen, um sog. freie Cluster, d.h. gasförmige Teilchen im Vakuum, zu erzeugen:

1) In einer Düsenstrahlquelle wird Gas unter hohem Druck durch eine kleines Loch ins Vakuum expandiert. Während dieser adiabatischen Expansion sinkt der Druck um 4 bis 7 Grössenordungen und gemäss der Adiabatengleichung auch die Temperatur. Die thermische Relativbewegung der Atome sinkt drastisch ab, im Gegensatz zur mittleren (gerichteten) Geschwindigkeit des Gases (Abb. 1). Diese Verringerung der Gastemperatur führt zur Kondensation der Atome und somit zur Clusterbildung. Aufgrund der starken Temperaturabnahme eignet sich die Düsenstrahlquelle sehr gut zur Erzeugung von Clustern mit geringer Bindungsenergie, wie z.B. van-der-Waals-gebundenen Edelgasclustern.

2) In einer Gasaggregationsquelle werden Atome (oder Moleküle) in eine Edelgasatmosphäre aus Argon oder Helium verdampft (Abb. 2). Dort werden die Teilchen durch Stösse mit den Edelgasatomen abgebremst und lagern sich zu Clustern zusammen. Mit der Methode der Gasaggregation gelang es 1990 mit einer von H. Krätschmer entwickelten Quelle, C₆₀-Cluster (Fullerene) in grösseren Mengen herzustellen.

3) Die dritte Methode zur Clustererzeugung beruht auf direktem Materialabtrag von der Oberfläche eines Festkörpers, z.B. durch Ionenbeschuss oder durch Beschuss mit einem intensiven Laserstrahl (Laser-Ablation). Hierdurch werden gleichzeitig Atome, Moleküle und kleine Cluster (sowie deren Ionen) von der Oberfläche abgelöst.

Eine Kombination aus 2) und 3) ist die von R. E. Smalley entwickelte Laserverdampfungsquelle, bei der das durch Laserbeschuss abgedampfte Material durch Edelgasatome aus einer gepulsten Düse abgekühlt wird (Abb. 3). Mit einer derartigen Quelle lassen sich intensive Clusterstrahlen auch aus hochschmelzenden Materialien erzeugen.

Clusterquelle 1: Schema einer Düsenstrahlexpansion. Die Geschwindigkeiten der Atome sind durch Pfeile dargestellt. Für ein ideales Gas lassen sich Temperatur und Druck als Funktion des reduzierten Abstandes x/D (Quotient aus Abstand von der Düse und deren Durchmesser) angeben.

Clusterquelle 2: Prinzip einer Gasaggregationsquelle. Ein Material, z.B. ein Metall, wird verdampft und durch Stösse mit Edelgasatomen abgekühlt.

Clusterquelle 3: Typische Laserverdampfungsquelle: Ein intensiver Laserstrahl wird auf einen sich drehenden Metallstab fokussiert. Heliumgas aus einer gepulsten Düse kühlt das entstehende heisse Plasma ab.