Spectroscopic characterization of clusters is crucial to understanding the structures and reaction mechanisms at the microscopic level, but it has been proven to be a grand challenge for neutral clusters because the absence of a charge makes it difficult for the size selection and detection. Infrared (IR) spectroscopy based on threshold photoionization using a tunable vacuum ultraviolet free electron laser (VUV-FEL) has recently been developed in the lab. The IR-VUV depletion and IR+VUV enhancement spectroscopic techniques open new avenues for size-selected IR spectroscopies of a large variety of neutral clusters without confinement (i.e., an ultraviolet chromophore, a messenger tag, or a host matrix). The spectroscopic principles have been demonstrated by investigations of some neutral water clusters and some metal carbonyls. Here, the spectroscopic principles and their applications for neutral clusters are reviewed.

[1]
A. W.
Castleman
and
R. G.
Keesee
,
Acc. Chem. Res.
19
,
413
(
1986
).
[2]
P. E. S.
Wormer
and
A.
van der Avoird
,
Chem. Rev.
100
,
4109
(
2000
).
[3]
R.
Zhang
,
A.
Khalizov
,
L.
Wang
,
M.
Hu
, and
W.
Xu
,
Chem. Rev.
112
,
1957
(
2012
).
[4]
H. S.
Taylor
,
Proc. Roy. Soc. (London)
108
,
105
(
1925
).
[5]
T. J.
Balle
and
W. H.
Flygare
,
Rev. Sci. Instrum.
52
,
33
(
1981
).
[6]
M. F.
Vernon
,
J. M.
Lisy
,
D. J.
Krajnovich
,
A.
Tramer
,
H. S.
Kwok
,
Y. R.
Shen
, and
Y. T.
Lee
,
Faraday Discuss.
73
,
387
(
1982
).
[7]
Z. S.
Huang
and
R. E.
Miller
,
J. Chem. Phys.
91
,
6613
(
1989
).
[8]
U.
Buck
and
H.
Meyer
,
Phys. Rev. Lett.
52
,
109
(
1984
).
[9]
S.
Goyal
,
D. L.
Schutt
, and
G.
Scoles
,
Phys. Rev. Lett.
69
,
933
(
1992
).
[10]
N.
Pugliano
and
R. J.
Saykally
,
Science
257
,
1937
(
1992
).
[11]
E. G.
Diken
,
W. H.
Robertson
, and
M. A.
Johnson
,
J. Phys. Chem. A
108
,
64
(
2004
).
[12]
G. G.
Brown
,
B. C.
Dian
,
K. O.
Douglass
,
S. M.
Geyer
,
S. T.
Shipman
, and
B. H.
Pate
,
Rev. Sci. Instrum.
79
,
053103
(
2008
).
[13]
R. H.
Page
,
Y. R.
Shen
, and
Y. T.
Lee
,
J. Chem. Phys.
88
,
4621
(
1988
).
[14]
H. K.
Woo
,
P.
Wang
,
K. C.
Lau
,
X.
Xing
,
C.
Chang
, and
C. Y.
Ng
,
J. Chem. Phys.
119
,
9333
(
2003
).
[15]
Y.
Matsuda
,
M.
Mori
,
M.
Hachiya
,
A.
Fujii
, and
N.
Mikami
,
Chem. Phys. Lett.
422
,
378
(
2006
).
[16]
H. B.
Fu
,
Y. J.
Hu
, and
E. R.
Bernstein
,
J. Chem. Phys.
124
,
024302
(
2006
).
[17]
D.
Normile
,
Science
355
,
235
(
2017
).
[18]
B.
Zhang
,
Y.
Yu
,
Z.
Zhang
,
Y. Y.
Zhang
,
S.
Jiang
,
Q.
Li
,
S.
Yang
,
H. S.
Hu
,
W.
Zhang
,
D.
Dai
,
G.
Wu
,
J.
Li
,
D. H.
Zhang
,
X.
Yang
, and
L.
Jiang
, J.
Phys. Chem. Lett.
11
,
851
(
2020
).
[19]
G.
Li
,
C.
Wang
,
Q.
Li
,
H.
Zheng
,
T.
Wang
,
Y.
Yu
,
M.
Su
,
D.
Yang
,
L.
Shi
,
J.
Yang
,
Z.
He
,
H.
Xie
,
H.
Fan
,
W.
Zhang
,
D.
Dai
,
G.
Wu
,
X.
Yang
, and
L.
Jiang
,
Rev. Sci. Instrum.
91
,
034103
(
2020
).
[20]
B.
Zhang
,
Y.
Yu
,
Y. Y.
Zhang
,
S.
Jiang
,
Q.
Li
,
H. S.
Hu
,
G.
Li
,
Z.
Zhao
,
C.
Wang
,
H.
Xie
,
W.
Zhang
,
D.
Dai
,
G.
Wu
,
D. H.
Zhang
,
L.
Jiang
,
J.
Li
, and
X.
Yang
,
Proc. Natl. Acad. Sci. USA
117
,
15423
(
2020
).
[21]
G.
Li
,
Y. Y.
Zhang
,
Q.
Li
,
C.
Wang
,
Y.
Yu
,
B.
Zhang
,
H. S.
Hu
,
W.
Zhang
,
D.
Dai
,
G.
Wu
,
D. H.
Zhang
,
J.
Li
,
X.
Yang
, and
L.
Jiang
,
Nat. Commun.
11
,
5449
(
2020
).
[22]
U.
Even
,
J.
Jortner
,
D.
Noy
,
N.
Lavie
, and
C.
Cossart-Magos
,
J. Chem. Phys.
112
,
8068
(
2000
).
[23]
T. G.
Dietz
,
M. A.
Duncan
,
D. E.
Powers
, and
R. E.
Smalley
,
J. Chem. Phys.
74
,
6511
(
1981
).
[24]
L. S.
Wang
,
H. S.
Cheng
, and
J. W.
Fan
,
J. Chem. Phys.
102
,
9480
(
1995
).
[25]
M. A.
Duncan
,
Rev. Sci. Instrum.
83
,
041101
(
2012
).
[26]
L. H.
Yu
,
M.
Babzien
,
I.
Ben-Zvi
,
L. F.
DiMauro
,
A.
Doyuran
,
W.
Graves
,
E.
Johnson
,
S.
Krinsky
,
R.
Malone
,
I.
Pogorelsky
,
J.
Skaritka
,
G.
Rakowsky
,
L.
Solomon
,
X. J.
Wang
,
M.
Woodle
,
V.
Yakimenko
,
S. G.
Biedron
,
J. N.
Galayda
,
E.
Gluskin
,
J.
Jagger
,
V.
Sajaev
, and
I.
Vasserman
,
Science
289
,
932
(
2000
).
[27]
W. R.
Bosenberg
and
D. R.
Guyer
,
J. Opt. Soc. Am. B
10
,
1716
(
1993
).
[28]
K.
Muller-Dethlefs
and
P.
Hobza
,
Chem. Rev.
100
,
143
(
2000
).
[29]
S. R.
Gadre
,
S. D.
Yeole
, and
N.
Sahu
,
Chem. Rev.
114
,
12132
(
2014
).
[30]
Z.
Luo
,
A. W.
Castleman
Jr., and
S. N.
Khanna
,
Chem. Rev.
116
,
14456
(
2016
).
[31]
R. H. D.
Lyngdoh
,
H. F.
Schaefer
 III
, and
R. B.
King
,
Chem. Rev.
118
,
11626
(
2018
).
[32]
R. N.
Pribble
and
T. S.
Zwier
,
Science
265
,
75
(
1994
).
[33]
K.
Liu
,
J. D.
Cruzan
, and
R. J.
Saykally
,
Science
271
,
929
(
1996
).
[34]
K.
Nauta
and
R. E.
Miller
,
Science
287
,
293
(
2000
).
[35]
K. R.
Asmis
,
N. L.
Pivonka
,
G.
Santambrogio
,
M.
Brummer
,
C.
Kaposta
,
D. M.
Neumark
, and
L.
Woste
,
Science
299
,
1375
(
2003
).
[36]
A. E.
Bragg
,
J. R. R.
Verlet
,
A.
Kammrath
,
O.
Cheshnovsky
, and
D. M.
Neumark
,
Science
306
,
669
(
2004
).
[37]
M.
Miyazaki
,
A.
Fujii
,
T.
Ebata
, and
N.
Mikami
,
Science
304
,
1134
(
2004
).
[38]
J. W.
Shin
,
N. I.
Hammer
,
E. G.
Diken
,
M. A.
Johnson
,
R. S.
Walters
,
T. D.
Jaeger
,
M. A.
Duncan
,
R. A.
Christie
, and
K. D.
Jordan
,
Science
304
,
1137
(
2004
).
[39]
R.
Bukowski
,
K.
Szalewicz
,
G. C.
Groenenboom
, and
A.
van der Avoird
,
Science
315
,
1249
(
2007
).
[40]
C.
Perez
,
M. T.
Muckle
,
D. P.
Zaleski
,
N. A.
Seifert
,
B.
Temelso
,
G. C.
Shields
,
Z.
Kisiel
, and
B. H.
Pate
,
Science
336
,
897
(
2012
).
[41]
C. C.
Pradzynski
,
R. M.
Forck
,
T.
Zeuch
,
P.
Slavicek
, and
U.
Buck
,
Science
337
,
1529
(
2012
).
[42]
W. T. S.
Cole
,
J. D.
Farrell
,
D. J.
Wales
, and
R. J.
Saykally
,
Science
352
,
1194
(
2016
).
[43]
N.
Yang
,
C. H.
Duong
,
P. J.
Kelleher
,
A. B.
McCoy
, and
M. A.
Johnson
,
Science
364
,
275
(
2019
).
[44]
S. S.
Xantheas
and
T. H.
Dunning
,
J. Chem. Phys.
99
,
8774
(
1993
).
[45]
F.
Huisken
,
M.
Kaloudis
, and
A.
Kulcke
,
J. Chem. Phys.
104
,
17
(
1996
).
[46]
Y.
Wang
,
X.
Huang
,
B. C.
Shepler
,
B. J.
Braams
, and
J. M.
Bowman
,
J. Chem. Phys.
134
,
094509
(
2011
).
[47]
C.
Leforestier
,
K.
Szalewicz
, and
A.
van der Avoird
,
J. Chem. Phys.
137
,
014305
(
2012
).
[48]
D. C.
Clary
,
Science
351
,
1267
(
2016
).
[49]
R. N.
Barnett
and
U.
Landman
,
J. Phys. Chem.
99
,
17305
(
1995
).
[50]
H.
Tachikawa
,
J. Phys. Chem. A
108
,
7853
(
2004
).
[51]
L.
Belau
,
K. R.
Wilson
,
S. R.
Leone
, and
M.
Ahmed
,
J. Phys. Chem. A
111
,
10075
(
2007
).
[52]
B. C.
Garrett
,
D. A.
Dixon
,
D. M.
Camaioni
,
D. M.
Chipman
,
M. A.
Johnson
,
C. D.
Jonah
,
G. A.
Kimmel
,
J. H.
Miller
,
T. N.
Rescigno
,
P. J.
Rossky
,
S. S.
Xantheas
,
S. D.
Colson
,
A. H.
Laufer
,
D.
Ray
,
P. F.
Barbara
,
D. M.
Bartels
,
K. H.
Becker
,
H.
Bowen
,
S. E.
Bradforth
,
I.
Carmichael
,
J. V.
Coe
,
L. R.
Corrales
,
J. P.
Cowin
,
M.
Dupuis
,
K. B.
Eisenthal
,
J. A.
Franz
,
M. S.
Gutowski
,
K. D.
Jordan
,
B. D.
Kay
,
J. A.
LaVerne
,
S. V.
Lymar
,
T. E.
Madey
,
C. W.
McCurdy
,
D.
Meisel
,
S.
Mukamel
,
A. R.
Nilsson
,
T. M.
Orlando
,
N. G.
Petrik
,
S. M.
Pimblott
,
J. R.
Rustad
,
G. K.
Schenter
,
S. J.
Singer
,
A.
Tokmakoff
,
L. S.
Wang
,
C.
Wittig
, and
T. S.
Zwier
,
Chem. Rev.
105
,
355
(
2005
).
[53]
Y.
Matsuda
,
N.
Mikami
, and
A.
Fujii
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
11
,
1279
(
2009
).
[54]
R. N.
Barnett
and
U.
Landman
,
J. Phys. Chem. A
101
,
164
(
1997
).
[55]
R. H.
Page
,
J. G.
Frey
,
Y. R.
Shen
, and
Y. T.
Lee
,
Chem. Phys. Lett.
106
,
373
(
1984
).
[56]
D. F.
Coker
,
R. E.
Miller
, and
R. O.
Watts
,
J. Chem. Phys.
82
,
3554
(
1985
).
[57]
F. N.
Keutsch
,
J. D.
Cruzan
, and
R. J.
Saykally
,
Chem. Rev.
103
,
2533
(
2003
).
[58]
A.
Mukhopadhyay
,
W. T. S.
Cole
, and
R. J.
Saykally
,
Chem. Phys. Lett.
633
,
13
(
2015
).
[59]
M. F.
Zhou
,
L.
Andrews
, and
C. W.
Bauschlicher
,
Chem. Rev.
101
,
1931
(
2001
).
[60]
H. J.
Freund
,
G.
Meijer
,
M.
Scheffler
,
R.
Schlogl
, and
M.
Wolf
,
Angew. Chem. Int.
Ed.
50
,
10064
(
2011
).
[61]
A.
Fielicke
,
P.
Gruene
,
G.
Meijer
, and
D. M.
Rayner
,
Surf. Sci.
603
,
1427
(
2009
).
[62]
L.
Mond
,
C.
Langer
, and
F.
Quincke
,
J. Chem. Soc.
57
,
749
(
1890
).
[63]
L. H.
Jones
,
R. S.
McDowell
, and
M.
Goldblatt
,
J. Chem. Phys.
48
,
2663
(
1968
).
[64]
R. L.
Dekock
,
Inorg. Chem.
10
,
1205
(
1971
).
[65]
E. P.
Kundig
,
D.
McIntosh
,
M.
Moskovits
, and
G. A.
Ozin
,
J. Am. Chem. Soc.
95
,
7234
(
1973
).
[66]
M. F.
Zhou
and
L.
Andrews
,
J. Am. Chem. Soc.
120
,
11499
(
1998
).
[67]
B. Y.
Liang
,
M. F.
Zhon
, and
L.
Andrews
,
J. Phys. Chem. A
104
,
3905
(
2000
).
[68]
I. A.
Howard
,
G. W.
Pratt
,
K. H.
Johnson
, and
G.
Dresselhaus
,
J. Chem. Phys.
74
,
3415
(
1981
).
[69]
M. R. A.
Blomberg
,
P. E. M.
Siegbahn
,
T. J.
Lee
,
A. P.
Rendell
, and
J. E.
Rice
,
J. Chem. Phys.
95
,
5898
(
1991
).
[70]
J.
Li
,
G.
Schreckenbach
, and
T.
Ziegler
,
J. Am. Chem. Soc.
117
,
486
(
1995
).
[71]
G.
Distefano
, J.
Res. Natl. Bur. Stand. Sect. A
74A
,
233
(
1970
).
[72]
F. I.
Vilesov
and
B. L.
Kurbatov
,
Dokl. Akad. Nauk. SSSR
140
,
1364
(
1961
).
[73]
R. E.
Winters
and
R. W.
Kiser
,
Inorg. Chem.
3
,
699
(
1964
).
[74]
D. R.
Bidinosti
and
N. S.
McIntyre
,
Can. J. Chem.
45
,
641
(
1967
).
[75]
D. R.
Lloyd
and
E. W.
Schlag
,
Inorg. Chem.
8
,
2544
(
1969
).
[76]
S. M.
Schildcrout
,
G. A.
Pressley
, and
F. E.
Stafford
,
J. Am. Chem. Soc.
89
,
1617
(
1967
).
This content is only available via PDF.
You do not currently have access to this content.