Změřen čas štěpení kationtu silanu po fotoionizaci

Fragmentace molekul silanu hraje důležitou roli při plazmatických procesech, díky nimž vznikají vysoce čisté křemíkové vrstvy při výrobě fotovoltaických článků nebo moderních tranzistorů. Mezinárodní tým s účastí Víta Svobody z Ústavu fyzikální chemie VŠCHT Praha nyní dokázal díky unikátnímu experimentu a pokročilým teoretickým výpočtům molekulové dynamiky popsat časový vývoj kationtu silanu po fotoionizaci. Kromě zmíněných průmyslových aplikací umožňuje porozumění ultrarychlým procesům, jako je tento, lépe pochopit základní chování molekul a principy chemické fyziky. Studii zveřejnil respektovaný magazín Nature Communications.

Molekulární symetrie je klíčovým parametrem určujícím stabilitu i chemické vlastnosti látek. Vysoce symetrické molekuly, jako je silan, se po ionizaci často během Jahn‑Tellerovského štěpení rozkládají na fragmenty. Doposud však chyběly přímé experimentální důkazy o čase, v němž se tyto změny odehrávají.

Mezinárodnímu týmu se podařilo změřit pomocí krátkých pulzů (délka trvání pulzů <1 fs) v rentgenové oblasti časově rozlišený průběh Jahn-Tellerovského štěpení kationtu silanu. V rámci experimentu nejprve infračervený pulz ionizoval molekuly v plynné fázi. Průběh reakce vědci sledovali tak, že časově zpožděným rentgenovým pulsem měřili absorpční spektra vznikajících produktů reakce. Výsledná 3D spektra poskytla informaci o absorpci v závislosti na čase reakce a energii daného absorpčního pásu.

„Abychom rozluštili všechny detaily obsažené ve změřených spektrech, celou fotoionizační reakci jsme simulovali pomocí pokročilých teoretických výpočtů,“ říká doktor Svoboda s tím, že prakticky okamžitě po ionizaci kationu silanu dojde v důsledku symetrie k otevření dvou možných reakčních cest.

VŠCHT Praha: Vit Svoboda

„První cestou je disociace kationtu silanu na SiH₃⁺, která se děje bez energetické bariéry a trvá 23 fs. Druhou cestou, která je vůči první cestě o 11 fs opožděná, je stochastický rozpad kationtu silanu na SiH₂⁺ a H₂, který trvá 140 fs. Z pohledu chemické dynamiky je zajímavé to, že jak molekula silanu vibrovala před ionizací, se otiskne do vibrační paměti SiH₃⁺ fragmentů, ale nikoliv do SiH2+ fragmentů,“ vysvětluje doktor Svoboda, který se nedávno vrátil na VŠCHT, kde založil vlastní výzkumnou skupinu s podporou grantu GA ČR Junior Start a Fondu Dagmar Procházkové. Předtím působil na ETH v Zurichu, kde získal doktorát, Institutu Maxe Borna v Berlíně a na výzkumném institutu JILA (spojené laboratoře University of Colorado Boulder a NIST).

Jak vědci doufají, jejich výsledky publikované v Nature Communications mohou v blízké budoucnosti přispět k optimalizaci průmyslových postupů a vyšší kvalitě polovodičových materiálů, ale také k hlubšímu pochopení ultrarychlé dynamiky molekul po jejich fotoionizaci.

Původní článek

Attosecond X-ray spectroscopy reveals the competing stochastic and ballistic dynamics of a bifurcating Jahn–Teller dissociation

Danylo Matselyukh, Vít Svoboda & Hans Jakob Wörner

Nat Commun 16, 6540 (2025)

https://doi.org/10.1038/s41467-025-61512-8

licensed under CC-BY 4.0