Fotoemisní spektroskopie - Photoemission spectroscopy

Princip úhlově rozlišené fotoemisní spektroskopie .

Fotoemisní spektroskopie ( PES ), známá také jako fotoelektronová spektroskopie , se týká měření energie elektronů emitovaných z pevných látek, plynů nebo kapalin fotoelektrickým jevem za účelem stanovení vazebných energií elektronů v látce. Termín označuje různé techniky v závislosti na tom, zda je ionizační energie poskytována rentgenovými , XUV nebo UV fotony. Bez ohledu na dopadající fotonový paprsek se však veškerá fotoelektronová spektroskopie točí kolem obecného tématu povrchové analýzy měřením vysunutých elektronů.

Typy

Rentgenová fotoelektronová spektroskopie (XPS) byla vyvinuta Kai Siegbahnem od roku 1957 a používá se ke studiu energetických hladin elektronů atomového jádra, zejména v pevných látkách. Siegbahn označil tuto techniku ​​jako „elektronovou spektroskopii pro chemickou analýzu“ (ESCA), protože základní úrovně mají malé chemické posuny v závislosti na chemickém prostředí atomu, který je ionizovaný, což umožňuje určit chemickou strukturu. Siegbahn získal za tuto práci Nobelovu cenu v roce 1981. XPS se někdy označuje jako PESIS (fotoelektronová spektroskopie pro vnitřní skořápky), zatímco nízkoenergetické záření UV světla se označuje jako PESOS (vnější skořápky), protože nemůže excitovat jádrové elektrony.

Ultrafialová fotoelektronová spektroskopie (UPS) se používá ke studiu úrovní valenční energie a chemických vazeb, zejména vazebného charakteru molekulárních orbitalů. Metoda byla původně vyvinuta pro molekuly v plynné fázi v roce 1961 Feodorem I. Vilesovem a v roce 1962 Davidem W. Turnerem a dalšími časnými pracovníky byli David C. Frost, JHD Eland a K. Kimura. Později Richard Smalley upravil techniku ​​a použil UV laser k excitaci vzorku, aby změřil vazebnou energii elektronů v plynných molekulárních klastrech.

Úhlová fotoemisní spektroskopie (ARPES) se stala nejrozšířenější elektronovou spektroskopií ve fyzice kondenzovaných látek po nedávném pokroku v rozlišení energie a hybnosti a široké dostupnosti synchrotronových světelných zdrojů. Tato technika se používá k mapování struktury pásu krystalických pevných látek, ke studiu dynamiky kvazičástic ve vysoce korelovaných materiálech a k měření polarizace elektronových spinů.

Dvoufotonová fotoelektronová spektroskopie (2PPE) rozšiřuje techniku ​​na opticky excitované elektronické stavy zavedením schématu čerpadlo-sonda.

Extrémní ultrafialová fotoelektronová spektroskopie (EUPS) leží mezi XPS a UPS. Obvykle se používá k posouzení struktury valenčního pásma. Ve srovnání s XPS poskytuje lepší energetické rozlišení a ve srovnání s UPS jsou vysunuté elektrony rychlejší, což má za následek menší prostorový náboj a zmírnění efektů konečného stavu.

Fyzikální princip

Fyzika za technikou PES je aplikace fotoelektrického jevu . Vzorek je vystaven paprsku UV nebo XUV světla indukujícího fotoelektrickou ionizaci. Energie emitovaných fotoelektronů jsou charakteristické pro jejich původní elektronické stavy a závisí také na vibračním stavu a rotační úrovni. U pevných látek mohou fotoelektrony uniknout pouze z hloubky řádově nanometrů, takže se analyzuje povrchová vrstva.

Kvůli vysoké frekvenci světla a značnému náboji a energii emitovaných elektronů je fotoemise jednou z nejcitlivějších a nejpřesnějších technik pro měření energií a tvarů elektronických stavů a ​​molekulárních a atomových orbitalů. Fotoemise je také jednou z nejcitlivějších metod detekce látek ve stopových koncentracích za předpokladu, že je vzorek kompatibilní s ultravysokým vakuem a analyt lze odlišit od pozadí.

Typické přístroje PES (UPS) využívají zdroje plynného hélia UV záření s energií fotonu až 52 eV (odpovídá vlnové délce 23,7 nm). Fotoelektrony, které skutečně unikly do vakua, jsou shromážděny, mírně retardovány, energie vyřešena a spočítána. Výsledkem je spektrum intenzity elektronů jako funkce měřené kinetické energie. Protože hodnoty vazebné energie jsou snadněji aplikovány a srozumitelné, hodnoty kinetické energie, které jsou závislé na zdroji, se převádějí na hodnoty vazebné energie, které jsou nezávislé na zdroji. Toho je dosaženo použitím Einsteinova vztahu . Termín této rovnice je energie světelného kvanta UV, které se používají pro fotoexcitaci. Spektra fotoemise se také měří pomocí laditelných zdrojů synchrotronového záření .

Vazebné energie měřených elektronů jsou charakteristické pro chemickou strukturu a molekulární vazbu materiálu. Přidáním zdrojového monochromátoru a zvýšením energetického rozlišení elektronového analyzátoru se objeví vrcholy s plnou šířkou při polovičním maximu (FWHM) menším než 5–8 meV.

Viz také

Reference

Další čtení

externí odkazy