Excitation of Phonons in Solids and Nanostructures by Intense Laser and XUV Pulses and by Low Energy Atomic Collision

Intensive, ultrakurze Laserpulse regen Festkörper in einen Zustand an, in dem die Elektronen hohe Temperaturen erlangen, während das Gitter kalt bleibt. Die heißen Elektronen beeinflussen das sog. Laser-angeregte interatomare Potential bzw. die Potentialenergiefläche, auf der die Ionen sich bewegen. Dieses kann neben anderen ultrakurzen Prozessen zu Änderungen der Phononfrequenzen (phonon softening oder phonon hardening) führen. Viele ultrakurze strukturelle Phänomene in Festkörpern hängen bei hohen Laseranregungen von Änderungen der Phononfrequenzen bei niedrigeren Anregungen ab. Um die Laser-bedingten Änderungen des Phononenspektrums von Festkörpern beschreiben zu können, haben wir ein auf Temperatur-abhängiger Dichtefunktionaltheorie basierendes Verfahren entwickelt. Die dramatischen Änderungen nach einer Laseranregung in der Potentialenergiefläche werden durch die starke Veränderung der Zustandsdichte und der Besetzungen der Elektronen hervorgerufen. Diese Änderungen in der Zustandsdichte und den Besetzungszahlen können wir mit unserer Methode berechnen, um dann damit das Verhalten der Phononen nach einer Laseranregung zu analysieren. Auf diese Art und Weise studierten wir den Einfluss einer Anregung mit einem intensiven, ultrakurzen Laserpuls auf repräsentative Phonon Eigenmoden in Magnesium, Kupfer und Aluminium. Wir stellten dabei in manchen Gitterschwingungen entweder eine Abnahme (softening) und in anderen eine Zunahme (hardening) der Eigenfrequenz fest. Manche Moden zeigten bei Variation der Laseranregungsstärke sogar beide Verhaltensweisen. Das eine Phonon-Eigenmode ein hardening und softening zeigen kann, wird durch das Vorhandensein von van Hove Singularitäten in der elektronischen Zustandsdichte des betrachteten Materials erklärt. Für diesen Fall stellt unser Verfahren zusammen mit der Sommerfeld-Entwicklung die Eigenschaften der Festkörper Vibrationen in Verbindung mit den Laser induzierten Veränderungen in den elektronischen Besetzungen für verschiedene Phonon-eingefrorene Atomkonfigurationen. Auch die absolute Größe des softening und hardening wurde berechnet. Wir nehmen an, dass unsere Theorie Licht in die Effekte der Laseranregung von verschiedenen Materialien bringt. Außerdem studierten wir mit Hilfe von Dichtefunktionaltheorie die strukturellen Material-Eigenschaften, die durch kurze XUV Pulse induziert werden. Warme dichte Materie in Ultrakurzpuls angeregten Magnesium wurde analysiert und verglichen mit den Ergebnissen bei durch Laser Anregung bedingten Änderungen. Unter Verwendung von elektronischer-Temperatur-abhängiger Dichtefunktionaltheorie wurden die Änderungen in den Bindungseigenschaften von warmen dichten Magnesium studiert. Wir stellten dabei beide Effekte, Verstärkung und Abschwächung von Bindungen, bei jeweils verschiedenen Phonon Eigenmoden von Magnesium auf Grund von der Erzeugung von Rumpflöchern und dem Vorhandensein von heißen Elektronen fest. Die zusätzliche Erzeugung von heißen Elektronen führt zu einer Änderung der Bindungscharakteristik, die der Änderung, die durch die bereits vorhandenen Rumpflöcher hervorgerufen wurde, entgegen wirkt. Die thermischen Eigenschaften von Nanostrukturen sind teilweise sehr wichtig für elektronische Bauteile. Wir studierten hier ebenfalls den Effekt einer einzelnen Graphen Lage auf Kupfer. Dazu untersuchten wir mit Dichtefunktionaltheorie die strukturellen- und Schwingungseigenschaften von Graphen auf einem Kupfer Substrat. Wir zeigen, dass die schwache Wechselwirkung zwischen Graphen und Kupfer die Frequenz der aus der Ebene gerichteten akustischen Phonon Eigenmode anhebt und die Entartung zwischen den aus der Ebene gerichteten akustischen und optischen Phononen im K-Punkt des Graphen Spektrums aufhebt. Zusätzlich führten wir ab initio Berechnungen zur inelastischen Streuung eines Helium Atoms mit Graphen auf einem Kuper(111) Substrat durch. Wir berechneten dazu das Leistungsspektrum, das uns eine Idee über die verschiedenen Gitterschwingungen des Graphene-Kuper(111) Systems gibt, die durch die Kollision des Helium Atom angeregt werden. Wir brachten die Positionen der Peaks im Leistungsspektrum mit den Phonon Eigenfrequenzen, die wir aus den statischen Rechnungen erhalten haben, in Beziehung. Unsere Ergebnisse werden auch verglichen mit den Ergebnissen experimenteller Daten zur Helium Streuung an Graphen-Kupfer(111) Oberflächen.

Spectra info & resources

Resources and info updates for the Spectra Roadshow. SPECTRA LOGO for use on posters, etc...

Infra red spectra

Spectra taken using the Spectroscopy in a Suitcase spectrometer sponsored by the RSC. Spectra taken during the University of Southampton's School of Chemistry Twilight outreach events 2015.

Blackbody emission under laser excitation of silicon nanopowder produced by plasma-enhanced chemical-vapor deposition

Previous results concerning radiative emission under laser irradiation of silicon nanopowder are reinterpreted in terms of thermal emission. A model is developed that considers the particles in the powder as independent, so under vacuum the only dissipation mechanism is thermal radiation. The supralinear dependence observed between the intensity of the emitted radiation and laser power is predicted by the model, as is the exponential quenching when the gas pressure around the sample increases. The analysis allows us to determine the sample temperature. The local heating of the sample has been assessed independently by the position of the transverse optical Raman mode. Finally, it is suggested that the photoluminescence observed in porous silicon and similar materials could, in some cases, be blackbody radiation

Systematic studies on 3d-3d and 3d-4f multimetallic complexes with interesting magnetic and/or luminescent properties

324 p.

Testing the influence of small crystals on ice size spectra using Doppler lidar observations

Analysis of the vertical velocity of ice crystals observed with a 1.5micron Doppler lidar from a continuous sample of stratiform ice clouds over 17 months show that the distribution of Doppler velocity varies strongly with temperature, with mean velocities of 0.2m/s at -40C, increasing to 0.6m/s at -10C due to particle growth and broadening of the size spectrum. We examine the likely influence of crystals smaller than 60microns by forward modelling their effect on the area-weighted fall speed, and comparing the results to the lidar observations. The comparison strongly suggests that the concentration of small crystals in most clouds is much lower than measured in-situ by some cloud droplet probes. We argue that the discrepancy is likely due to shattering of large crystals on the probe inlet, and that numerous small particles should not be included in numerical weather and climate model parameterizations.

Rotational spectra induced by vibrations

Mizushima and Venkateswarlu showed in 1953 that certain molecules have the property that excited vibrational states may possess rotational spectra even when the rotational spectrum of the ground vibrational state is forbidden by symmetry. We call such a spectrum a vibrationally induced rotational spectrum, and have made a systematic examination of the point groups which permit such behaviour. We also give formulae for the approximate line frequencies and intensities in these spectra, and discuss some of the problems involved in observing them. The spectra can only arise from degenerate vibrational states, and are of three possible types: i) symmetric top perpendicular spectra, shown by molecules belonging to the point groups Dnh, Dn and Cnh, where n is odd; (ii) symmetric top parallel spectra, shown by molecules belonging to Dnd and S2n, where n is even; and (iii) spherical top spectra, shown by molecules belonging to T or Td. Excited vibrational states of polar molecules of point groups Cnv or Cn, where n is odd, may also possess vibrationally induced perpendicular components of type (i), in addition to their ordinary parallel spectra. In addition to the above limitations on the point groups there are, in general, limitations on the symmetry species of the degenerate vibrational states.

Microwave spectra and centrifugal distortion constants of oxetane

The microwave spectra of oxetane (trimethylene oxide) and its three symmetrically deuterated isotopic species have been observed on a Hewlett-Packard microwave spectrometer from 26.5 to 40 GHz. For the parent species, the β-d2 and the αα′-d4 species, about 300 lines have been assigned for each molecule, and for the d6 species more than 600 lines have been assigned. The assignments range from v = 0 to v = 5 in the puckering vibration; although they are mostly Q transitions, either 3 or 4 R transitions have been observed for each vibrational state. The spectra have been interpreted using an effective rotational hamiltonian for each vibrational state, including five quartic distortion constants according to Watson's formulation, and a variable number of sextic distortion constants; in general, the lines are fitted to about ± 10 kHz. The distortion constants show an anomalous zig-zag dependence on the puckering vibrational quantum number, similar to that first observed for the rotational constants by Gwinn and coworkers. This is interpreted according to a simple modification of the standard theory of centrifugal distortion, involving the double minimum potential function in the puckering coordinate.

Fourier transform infrared spectra of H2CS and D2CS

Infrared spectra of thoformaldehyde, H2CS and D2CS, were observed in the gas phase at a resolution of better than 0.1 cm−1 from 4000 to 400 cm−1 using a Nicolet FTIR system. Vibrational band origins and rotational constants were determined for ν2, ν3, ν4, and ν6 of H2CS and for ν1, ν2, ν3, ν4, and ν6 of D2CS. The ν3, ν4, and ν6 bands of H2CS were analyzed as a set of three Coriolis interacting bands, and three Coriolis constants were determined; similarly the ν4 and ν6 bands of D2CS were analyzed as a pair of interacting bands and one Coriolis constant was determined. A general harmonic force field was determined, without constraints, to fit the vibrational wavenumbers, Coriolis constants, and centrifugal distortion constants. A zero-point (rz) structure was determined from the ground-state rotational constants, and the equilibrium (re) bond lengths were estimated.

Vibration-rotation spectra of CH3F

Rotational structure has been resolved and analyzed in the 1049-cm−1 parallel fundamental and the 1182 cm−1 perpendicular fundamental bands in the infrared spectrum of the CH3F molecule. Combination bands at 2223 cm−1 and around 2650 cm−1 have also been studied. The effective resolving power of the spectrometer was 0.25 cm−1 for all these bands. The two long-wavelength fundamentals have been analyzed in much greater detail than in previous work, and a complete analysis of the perpendicular band has been made, including the J-structure in the P and R branches of the sub-bands. Rotational constants of CH3F determined in this work and elsewhere are summarized in Table XIII of the text. Some anomalous intensity perturbations in the rotation lines of the 1182-cm−1 fundamental have been observed, and are discussed.