Новый способ определения размеров газовых кластеров

В физике кластером называют конечное множество (от нескольких единиц до десятков тысяч) атомов или молекул, объединённых в единый комплекс (ассоциат) с помощью межмолекулярных сил. Такое объединение не вызывает изменение химического строения составляющих его частиц. При этом физико-химические свойства кластеров заметно отличаются как от свойств отдельных молекул, так и от свойств сплошной среды. Длительное время кластеры различных веществ являются объектом многочисленных научных исследований. В последние годы потоки (пучки) кластеров и кластерных ионов активно развивают как уникальный инструмент для различных прикладных задач: генерация ультракоротковолнового рентгеновского излучения, модификация поверхности, создание материалов и покрытий с новыми свойствами и др.

В газовых кластерах частицы связаны с помощью слабых Ван-дер-ваальсовых или водородных сил. В современном эксперименте газовые кластеры обычно получают газодинамическим способом: как результат конденсации газа при его истечении из объёма через малое отверстие (сопло) в вакуумную камеру. Подобрав «правильную» геометрию (профиль) сопла и регулируя параметры газа в исходном объёме (температуру и давление), можно получить интенсивный поток кластеров практически любого размера. А использование смесей газов позволяет получать кластеры разного состава.

Известно, что свойства и строение кластеров в значительной мере определяются их размерами, т.е. числом молекул в кластере. Очевидно, в ходе эксперимента необходимо контролировать эту характеристику. К сожалению, определение размеров газовых кластеров является сложной технической задачей. Во-первых, при газодинамическом истечении в сверхзвуковом потоке формируются кластеры самых разных размеров, от димеров (кластер, состоящих из двух молекул) до тысячемеров. Поэтому обычно используют характеристику «средний размер кластеров». Во-вторых, из-за низкой внутренней температуры (на уровне десятков градусов Кельвина) и малой энергии связи, газовые кластеры мгновенно разрушаются (испаряются) при взаимодействии с любой поверхностью, находящейся при комнатной температуре. Поэтому газовые кластеры, в отличие от металлических кластеров, нельзя осадить на подложку, и отнести на исследование. Единственный вариант – идентификация и исследование газовых кластеров insitu (от латинского, на месте). В третьих, малые размеры кластеров. Например, диаметр кластера из 1000 атомов аргона составляет около 40 нм, что примерно в 1000 раз меньше толщины человеческого волоса. Поэтому в литературе часто используют термин «нанокластер».

Существующие экспериментальные методы определения размеров газовых кластеров можно условно поделить на «прямые» и «косвенные». В «прямых» методах (метод задерживающего потенциала, различного вида масс-спектрометрия) регистрируется распределение кластерных ионов по размерам. Однако, данные методы основаны на ионизации кластеров, чаще всего электронным ударом, что неизбежно приводит к изменению (уменьшению) их размеров и требует дополнительных усилий для восстановления истинных величин. В «косвенных» методах измеряют физические величины, связанные с размерами кластеров (интенсивность рассеяния лазерного или рентгеновского излучения, скрещенного пучка частиц на кластерном пучке, рассеяние самого кластерного пучка на фоновом газе и др.) и с использованием известных зависимостей восстанавливают искомые размеры кластеров. Такие методы требуют проведения сложных процедур калибровки, т.е. установление зависимости регистрируемых величин от измеряемых размеров кластеров. Очевидно, для разных газов требуется новая процедура и свои эмпирические константы. Кроме того, указанные методы требуют использования сложного высокочувствительного оборудования.

Авторами проекта предложен и реализован новый простой метод определения размеров газовых кластеров. Известно, что газоструйный кластерный пучок всегда содержит как кластеры, так и мономеры. Метод основан на измерении поперечного профиля массовой интенсивности молекулярного пучка, потока, в котором молекулы не сталкиваются друг с другом и находятся в свободном полете. Средний размер кластеров определяется путем сравнения полуширины кластерной и мономерной компонент потока на фиксированном расстоянии за конусной диафрагмой (скиммером). Новый метод верифицирован путем сравнения полученных результатов с данными других авторов, полученных различными экспериментальными методами. Т.к. кластерный пучок имеет высокую интенсивность, метод не требует применения сложного экспериментального оборудования. Предложенный метод применим для определения размера кластеров в любых чистых газов, при этом не требуется проведения дополнительных калибровок.

Основные публикации по новому методу:

N.G. Korobeishchikov, Penkov O.I. Simple method to gas cluster size determination based on molecular beam cross-section // Vacuum. 2016. Vol. 125. No.3. P. 205-208. Doi:10.1016/j.vacuum.2016.01.003.

N.G. Korobeishchikov, M.A. Roenko, G.I. Tarantsev. Mean Gas Cluster Size Determination from Cluster Beam Cross-Section // Journal of Cluster Science. 2017. Vol.28, Is.5. P.2529-2547. DOI: 10.1007/s10876-017-1230-0.