Irradiation processing of major dust components

Walter, Hagen GND

In this thesis the behaviour of iron-containing and -free amorphous soot under UV- and X-ray irradiation in the range from 6 eV to 500 eV was investigated. The interstellar extinction bump at 217nm has been known for more than fifty years, but its carrier is still unknown. Current research supports the idea that this band can be attributed to UV-processed carbon. In order to produce soot samples, graphite was vaporised under both a hydrogen-free and – containing helium atmosphere by means of laser-ablation, whereupon it condensed to nanoparticles. Amorphous soot forms a band around 208nm to 200nm upon UV-irradiation. This band is most probably borne by curved graphene-layers that are visible under the electron miscroscope. The curved layers arise from a process consisting of graphitisation allowing the growth of the layers, and the formation of Stone-Wales defects. Photons with energies below 8eV mainly cause graphitisation, those above 8eV mainly cause the formation of Stone-Wales defects. The thus-formed structures resemble onion-like fullerene-fragments. Compared to planar graphene layers, their orbitals are deformed and behave more diamond-like. That ultimately causes a blue-shift of the pi-electrons compared to planar graphene. Since iron is known to be catalyst for the formation of graphene layers, iron powder was added to pressed graphite powder. Upon laser-ablation, the mixture produced graphene-covered iron nano-particles with even more than one layer. The incorporation of iron resulted in an increased mass absorption coefficient and did not impede the formation of the band. This gives a hint about the depletion of iron in the interstellar medium

In dieser Arbeit wurde das Verhalten eisenfreier und eisenhaltiger amorpher Ruße unter UV und Röntgenbestrahlung im Bereich von etwa 6 bis 500eV untersucht. Anlass zur Untersuchung gibt die interstellare Extinktionsbande bei 217nm, deren Existenz seit mehr als fünfzig Jahren bekannt ist. Ihr Ursprung liegt aber immer noch im Dunkeln. Untersuchungen der letzten zwanzig Jahre legen nahe, dass es sich bei den Bandenträgern um UV-prozessierten Kohlenstoff handeln müsse. Zur Produktion der Rußproben wurde Graphit sowohl in wasserstoffhaltiger als auch -freier Atmosphäre mittels Laserablation verdampft und zu Nanopartikeln kondensiert. Amorpher Ruß bildet unter UV-Bestrahlung eine Bande bei etwa 208 bis 200nm aus. Die Herkunft der Bande wird gekrümmten, unter dem Elektronenmikroskop sichtbaren Fulleren-artigen Schichten zugerechnet, die durch einen Prozess aus Graphitisierung zum Wachstum der Graphenschichten und anschließender Defektbildung durch Stone-Wales-Defekte geformt werden. Photonen mit Energien unter etwa 8eV bewirken primär Graphitisierung und über 8eV verursachen Stone-Wales-Defekte. Die erzeugten Strukturen sind zwiebelartige Fullerene-Fragmente. Gegenüber ebenen Graphenschichten sind die Orbitale des Kohlenstoffes deformiert und neigen in Richtung diamantartiger Elektronenkonfiguration. Das bewirkt eine Blauverschiebung der Pi-Elektronen gegenüber ebenen Graphenschichten. Da Eisen als Katalysator zur Bildung von Graphenschichten geeignet ist, wurde dem gepressten Graphitpulver zusätzlich Eisenpulver beigemischt. Dadurch bilden sich bei der Laserablation Eisennanopartikel mit teils mehrlagigen Graphenhüllen. Die Inkorporation von Eisen bewirkt ein deutliches Anheben der Massenabsorption des Rußes und behindert die Bandenausbildung bei der Bestrahlung nicht. Dies liefert Anhaltspunkte für den Verbleib des Eisens im interstellaren Medium – das Eisen könnte als Nanopartikel vom Kohlenstoff umhüllt und somit spektroskopisch maskiert sein.

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Walter, Hagen: Irradiation processing of major dust components. Jena 2017.

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