Photoemissionsspektroskopie

Prinzip von Winkelaufgelöste Photoemissionsspektroskopie.

Photoemissionsspektroskopie (Pes), auch bekannt als Photoelektronenspektroskopie,[1] bezieht sich auf die Energiemessung von Elektronen aus Festkörpern, Gasen oder Flüssigkeiten durch die photoelektrischer Effekt, um die zu bestimmen Bindungsenergien von Elektronen in der Substanz. Der Begriff bezieht sich auf verschiedene Techniken, je nachdem, ob die Ionisation Energie wird von bereitgestellt von Röntgen, Xuv oder UV Photonen. Unabhängig von dem einfallenden Photonenstrahl dreht sich jedoch alle Photoelektronenspektroskopie um das allgemeine Thema der Oberflächenanalyse, indem sie die ausgestoßenen Elektronen messen.[2]

Typen

Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) wurde von entwickelt von Kai Siegbahn Ab 1957[3][4] und wird verwendet, um die Energieniveaus von Atomkernelektronen vor allem in Festkörpern zu untersuchen. Siegbahn bezeichnete die Technik als "Elektronenspektroskopie für die chemische Analyse" (ESCA), da die Kernniveaus klein sind Chemische Verschiebungen Abhängig von der chemischen Umgebung des ionisierten Atoms, wodurch die chemische Struktur bestimmt werden kann. Siegbahn wurde mit dem ausgezeichnet Nobelpreis 1981 für diese Arbeit. XPS wird manchmal als Pesis (Photoelektronenspektroskopie für innere Schalen) bezeichnet, während die niedriger Energiestrahlung von UV-Licht als Pesos (äußere Schalen) bezeichnet wird, da es keine Kernelektronen anregen kann.[5]

Ultraviolette Photoelektronenspektroskopie (UPS) wird verwendet, um die Valenzenergie und die chemische Bindung, insbesondere den Bindungscharakter von molekularen Orbitalen, zu untersuchen. Die Methode wurde ursprünglich für Gasphasenmoleküle im Jahr 1961 durch entwickelt Feodor I. Vilesov[6] und 1962 von David W. Turner,[7] Zu den anderen frühen Arbeitern gehörten David C. Frost, J.H.D. Eland und K. Kimura. Später, Richard Smalley modifizierte die Technik und verwendete einen UV -Laser, um die Probe zu erregen, um die Bindungsenergie von Elektronen in gasförmigen molekularen Clustern zu messen.

Winkelaufgelöste Photoemissionsspektroskopie (ARPES) ist nach den jüngsten Fortschritten bei der Energie- und Impulsauflösung und der weit verbreiteten Verfügbarkeit von Synchrotron -Lichtquellen zur am häufigsten verbreiteten Elektronenspektroskopie in der Physik der kondensierten Materie geworden. Die Technik wird verwendet, um die Bandstruktur kristalliner Feststoffe zu kartieren, die quasipartikeldynamische Dynamik in stark korrelierten Materialien zu untersuchen und die Elektronenspinpolarisation zu messen.

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

Die Extrem-Ultraviolett-Photoelektronenspektroskopie (EUPS) liegt zwischen XPS und UPS. Es wird typischerweise verwendet, um die Valenzbandstruktur zu bewerten.[8] Im Vergleich zu XPS ergibt es eine bessere Energieauflösung, und im Vergleich zu UPS sind die ausgestoßenen Elektronen schneller, was zu weniger Raumladung und geminderten endgültigen Zustandseffekten führt.[9][10][11]

Physisches Prinzip

Die Physik hinter der PES -Technik ist eine Anwendung der photoelektrischer Effekt. Die Probe ist einem Strahl aus UV- oder XUV -Licht ausgesetzt, der die photoelektrische Ionisation induziert. Die Energien der emittierten Photoelektronen sind charakteristisch für ihre ursprünglichen elektronischen Zustände und hängen auch vom Schwingungszustand und Rotationsniveau ab. Bei Festkörpern können Photoelektronen nur aus einer Tiefe in der Größenordnung der Nanometer entkommen, so dass es die Oberflächenschicht ist, die analysiert wird.

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

Typische PES -Instrumente (UPS) verwenden Heliumgasquellen von UV -Licht mit Photonenergie bis zu 52 eV (entsprechend der Wellenlänge 23,7 nm). Die Photoelektronen, die tatsächlich in das Vakuum geflohen sind, werden gesammelt, leicht verzögert, Energie aufgelöst und gezählt. Dies führt zu einem Spektrum der Elektronenintensität als Funktion der gemessenen kinetischen Energie. Da Bindungsenergiewerte leichter angewendet und verstanden werden, werden die kinetischen Energiewerte, die Quellenabhängigkeit sind, in Bindungsenergiewerte umgewandelt, die Quellenunabhängige sind. Dies wird durch die Anwendung von Einsteins Beziehung erreicht . Das Der Begriff dieser Gleichung ist die Energie der UV -Lichtquanta, die für die Photoanierung verwendet wird. Photoemissionsspektren werden ebenfalls mit stimmbarem gemessen Synchrotronstrahlung Quellen.

Die Bindungsenergien der gemessenen Elektronen sind charakteristisch für die chemische Struktur und molekulare Bindung des Materials. Durch Hinzufügen eines Quellmonochromators und Erhöhen der Energieauflösung des Elektronenanalysators treten Peaks mit auf Volle Weite bei der Hälfte des Maximums (FWHM) Weniger als 5–8 MeV.

Siehe auch

Verweise

  1. ^ IUPAC, Kompendium der chemischen Terminologie, 2. Aufl. (Das "Goldbuch") (1997). Online -korrigierte Version: (2006–) "Photoelektronenspektroskopie (PES)". doi:10.1351/goldbook.p04609
  2. ^ Hercules, D. M.; Hercules, S.H. Al (1984). "Analytische Chemie von Oberflächen. Teil I. Allgemeine Aspekte". Journal of Chemical Education. 61 (5): 402. Bibcode:1984jed..61..402h. doi:10.1021/ed061p402.
  3. ^ Nordling, Carl; Sokolowski, Evelyn; Siegbahn, Kai (1957). "Präzisionsmethode zum Erhalten absoluter Werte von Atombindungsenergien". Physische Bewertung. 105 (5): 1676. Bibcode:1957PHRV..105.1676n. doi:10.1103/PhysRev.105.1676.
  4. ^ Sokolowski e.; Nordling C.; Siegbahn K. (1957). "Magnetische Analyse von Röntgenproduzenten von Foto- und Auger-Elektronen". Arkiv för fysik. 12: 301.
  5. ^ Ghosh, P. K. (1983). Einführung in die Photoelektronenspektroskopie. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-06427-5.
  6. ^ Vilesov, F. I.; Muurbatov, B. L.; Terenin, A. N. (1961). "Elektronenverteilung über Energien bei der Photoionisation aromatischer Amine in gasförmiger Phase". Sowjetische Physik Doklady. 6: 490. Bibcode:1961SPHD .... 6..490V.
  7. ^ Turner, D. W.; Jobory, M. I. Al (1962). "Bestimmung der Ionisationspotentiale durch Photoelektronenergiemessung". Das Journal of Chemical Physics. 37 (12): 3007. Bibcode:1962Jchph..37.3007t. doi:10.1063/1.1733134.
  8. ^ Bauer, M.; Lei, C.; Read, K.; Tobey, R.; et al. (2001). "Direkte Beobachtung der Oberflächenchemie unter Verwendung von ultraschnellen Soft-X-Ray-Impulsen" (PDF). Physische Überprüfungsbriefe. 87 (2): 025501. Bibcode:2001phrvl..87b5501b. doi:10.1103/PhysRevlett.87.025501. Archiviert von das Original (PDF) am 2007-06-11.
  9. ^ Corder, Christopher; Zhao, Peng; Bakalis, Jin; Li, Xinlong; Kershis, Matthew D.; Muraca, Amanda R.; White, Michael G.; Allison, Thomas K. (2018-01-24). "Ultraast extreme ultraviolette Photoemission ohne Platzladung". Strukturdynamik. 5 (5): 054301. Arxiv:1801.08124. doi:10.1063/1.5045578. PMC 6127013. PMID 30246049.
  10. ^ Hey du; Vishik, Inna M.; Yi, ming; Yang, Shuolong; Liu, Zhongkai; Lee, James J.; Chen, Sudi; Rebec, Slavko n.; Leuenberger, Dominik (Januar 2016). "Eingeladener Artikel: Hochauflösender Winkel aufgelöst Photoemission mit Tabletop 11 EV -Laser". Überprüfung der wissenschaftlichen Instrumente. 87 (1): 011301. Arxiv:1509.01311. Bibcode:2016rsci ... 87a1301h. doi:10.1063/1.4939759. ISSN 0034-6748. PMID 26827301.
  11. ^ Roberts, F. Sloan; Anderson, Scott L.; Reber, Arthur C.; Khanna, Shiv N. (2015-03-05). "Erst- und endgültige Zustandseffekte in der ultravioletten und röntgenfesten Photoelektronenspektroskopie (UPS und XPS) von Größen ausgewählten PDN-Clustern, die auf TiO2 (110) unterstützt werden." The Journal of Physical Chemistry C. 119 (11): 6033–6046. doi:10.1021/jp512263w. ISSN 1932-7447.

Weitere Lektüre

Externe Links