Photoemissionsspektroskopie - Photoemission spectroscopy

Prinzip der winkelaufgelösten Photoemissionsspektroskopie .

Die Photoemissionsspektroskopie ( PES ), auch als Photoelektronenspektroskopie bekannt , bezieht sich auf die Energiemessung von Elektronen, die durch den photoelektrischen Effekt von Festkörpern, Gasen oder Flüssigkeiten emittiert werden, um die Bindungsenergien von Elektronen in der Substanz zu bestimmen. Der Begriff bezieht sich auf verschiedene Techniken, abhängig davon, ob die Ionisierungsenergie durch Röntgen- , XUV- oder UV- Photonen bereitgestellt wird . Unabhängig vom einfallenden Photonenstrahl dreht sich jedoch die gesamte Photoelektronenspektroskopie um das allgemeine Thema der Oberflächenanalyse durch Messung der ausgestoßenen Elektronen.

Typen

Die Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) wurde von Kai Siegbahn ab 1957 entwickelt und dient zur Untersuchung der Energieniveaus von Atomkernelektronen, hauptsächlich in Festkörpern. Siegbahn bezeichnete die Technik als "Elektronenspektroskopie für die chemische Analyse" (ESCA), da die Kernniveaus in Abhängigkeit von der chemischen Umgebung des ionisierten Atoms geringe chemische Verschiebungen aufweisen, wodurch die chemische Struktur bestimmt werden kann. Für diese Arbeit erhielt die Siegbahn 1981 den Nobelpreis . XPS wird manchmal als PESIS (Photoelektronenspektroskopie für Innenschalen) bezeichnet, während die energiearme Strahlung von UV-Licht als PESOS (Außenschalen) bezeichnet wird, da sie keine Kernelektronen anregen kann.

Ultraviolette Photoelektronenspektroskopie (UPS) wird verwendet, um Valenzenergieniveaus und chemische Bindungen zu untersuchen, insbesondere den Bindungscharakter von Molekülorbitalen. Die Methode wurde ursprünglich 1961 von Feodor I. Vilesov und 1962 von David W. Turner für Gasphasenmoleküle entwickelt. Andere frühe Arbeiter waren David C. Frost, JHD Eland und K. Kimura. Später modifizierte Richard Smalley die Technik und verwendete einen UV-Laser, um die Probe anzuregen, um die Bindungsenergie von Elektronen in gasförmigen Molekülclustern zu messen.

Die winkelaufgelöste Photoemissionsspektroskopie (ARPES) hat sich nach den jüngsten Fortschritten bei der Energie- und Impulsauflösung und der weit verbreiteten Verfügbarkeit von Synchrotronlichtquellen zur am weitesten verbreiteten Elektronenspektroskopie in der Physik der kondensierten Materie entwickelt. Die Technik wird verwendet, um die Bandstruktur kristalliner Feststoffe abzubilden, die Quasiteilchendynamik in stark korrelierten Materialien zu untersuchen und die Elektronenspinpolarisation zu messen.

Die Zwei-Photonen-Photoelektronenspektroskopie (2PPE) erweitert die Technik durch Einführung eines Pump-and-Probe-Schemas auf optisch angeregte elektronische Zustände.

Die extrem ultraviolette Photoelektronenspektroskopie (EUPS) liegt zwischen XPS und UPS. Es wird typischerweise verwendet, um die Valenzbandstruktur zu bewerten. Im Vergleich zu XPS bietet es eine bessere Energieauflösung und im Vergleich zu USV sind die ausgestoßenen Elektronen schneller, was zu einer geringeren Raumladung und abgeschwächten Endzustandseffekten führt.

Physikalisches Prinzip

Die Physik hinter der PES-Technik ist eine Anwendung des photoelektrischen Effekts . Die Probe wird einem UV- oder XUV-Lichtstrahl ausgesetzt, der eine photoelektrische Ionisation induziert. Die Energien der emittierten Photoelektronen sind charakteristisch für ihre ursprünglichen elektronischen Zustände und hängen auch vom Schwingungszustand und vom Rotationsniveau ab. Bei Festkörpern können Photoelektronen nur aus einer Tiefe in der Größenordnung von Nanometern entweichen, so dass die Oberflächenschicht analysiert wird.

Aufgrund der hohen Frequenz des Lichts und der erheblichen Ladung und Energie der emittierten Elektronen ist die Photoemission eine der empfindlichsten und genauesten Techniken zur Messung der Energien und Formen elektronischer Zustände sowie molekularer und atomarer Orbitale. Die Photoemission gehört auch zu den empfindlichsten Methoden zum Nachweis von Substanzen in Spurenkonzentrationen, vorausgesetzt, die Probe ist mit Ultrahochvakuum kompatibel und der Analyt kann vom Hintergrund unterschieden werden.

Typische PES (UPS) -Instrumente verwenden UV-Lichtquellen aus Heliumgas mit einer Photonenenergie von bis zu 52 eV (entsprechend einer Wellenlänge von 23,7 nm). Die Photoelektronen, die tatsächlich in das Vakuum entweichen, werden gesammelt, leicht verzögert, energieaufgelöst und gezählt. Dies führt zu einem Spektrum der Elektronenintensität als Funktion der gemessenen kinetischen Energie. Da Bindungsenergiewerte leichter angewendet und verstanden werden können, werden die quellenabhängigen kinetischen Energiewerte in Bindungsenergiewerte umgewandelt, die quellenunabhängig sind. Dies wird durch Anwendung der Einsteinschen Beziehung erreicht . Der Term dieser Gleichung ist die Energie der UV-Lichtquanten, die zur Photoanregung verwendet werden. Photoemissionsspektren werden auch unter Verwendung abstimmbarer Synchrotronstrahlungsquellen gemessen .

Die Bindungsenergien der gemessenen Elektronen sind charakteristisch für die chemische Struktur und die molekulare Bindung des Materials. Durch Hinzufügen eines Quellenmonochromators und Erhöhen der Energieauflösung des Elektronenanalysators erscheinen Peaks mit voller Breite bei halbem Maximum (FWHM) von weniger als 5–8 meV.

Siehe auch

Verweise

Weiterführende Literatur

Externe Links