Фотоэмиссионная спектроскопия - Photoemission spectroscopy

Принцип фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением .

Фотоэмиссионная спектроскопия ( PES ), также известная как фотоэлектронная спектроскопия , относится к измерению энергии электронов, испускаемых из твердых тел, газов или жидкостей в результате фотоэлектрического эффекта , с целью определения энергии связи электронов в веществе. Этот термин относится к различным методам, в зависимости от того, обеспечивается ли энергия ионизации рентгеновскими , ультрафиолетовыми или ультрафиолетовыми фотонами. Однако, независимо от падающего пучка фотонов, вся фотоэлектронная спектроскопия вращается вокруг общей темы анализа поверхности путем измерения выброшенных электронов.

Типы

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS) была разработана Каем Зигбаном, начиная с 1957 года, и используется для изучения уровней энергии остовных электронов атомов, прежде всего в твердых телах. Зигбан называл этот метод «электронной спектроскопией для химического анализа» (ESCA), так как основные уровни имеют небольшие химические сдвиги в зависимости от химического окружения атома, который ионизируется, что позволяет определить химическую структуру. За эту работу Зигбан был удостоен Нобелевской премии 1981 года. XPS иногда называют PESIS (фотоэлектронная спектроскопия для внутренних оболочек), тогда как ультрафиолетовое излучение с более низкой энергией называют PESOS (внешние оболочки), потому что оно не может возбудить остовные электроны.

Ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия (UPS) используется для изучения уровней валентной энергии и химической связи, особенно характера связи молекулярных орбиталей. Первоначально метод был разработан для молекул газовой фазы в 1961 году Федором И. Вилесовым и в 1962 году Дэвидом У. Тернером , а среди других ранних исследователей были Дэвид К. Фрост, Дж. Х. Д. Эланд и К. Кимура. Позже Ричард Смолли модифицировал эту технику и использовал УФ-лазер для возбуждения образца, чтобы измерить энергию связи электронов в газообразных молекулярных кластерах.

Фотоэмиссионная спектроскопия с угловым разрешением (ARPES) стала наиболее распространенной электронной спектроскопией в физике конденсированных сред после недавних достижений в области разрешения по энергии и импульсу и широкой доступности источников синхротронного света. Этот метод используется для картирования зонной структуры кристаллических твердых тел, для изучения динамики квазичастиц в сильно коррелированных материалах и для измерения спиновой поляризации электронов.

Двухфотонная фотоэлектронная спектроскопия (2PPE) расширяет этот метод до оптически возбужденных электронных состояний за счет введения схемы «накачка и зонд».

Фотоэлектронная спектроскопия в крайнем ультрафиолетовом диапазоне (EUPS) находится где-то между XPS и UPS. Обычно он используется для оценки структуры валентной зоны. По сравнению с XPS, он дает лучшее разрешение по энергии, а по сравнению с UPS, выбрасываемые электроны быстрее, что приводит к меньшему пространственному заряду и смягчению эффектов конечного состояния.

Физический принцип

Физика, лежащая в основе техники PES, основана на применении фотоэлектрического эффекта . Образец подвергается воздействию пучка УФ- или XUV-света, вызывающего фотоэлектрическую ионизацию. Энергии испускаемых фотоэлектронов характерны для их исходных электронных состояний, а также зависят от колебательного состояния и вращательного уровня. В случае твердых тел фотоэлектроны могут выходить только с глубины порядка нанометров, поэтому анализируется поверхностный слой.

Из-за высокой частоты света, а также значительного заряда и энергии испускаемых электронов фотоэмиссия является одним из наиболее чувствительных и точных методов измерения энергии и формы электронных состояний, а также молекулярных и атомных орбиталей. Фотоэмиссия также является одним из наиболее чувствительных методов обнаружения веществ в следовых концентрациях при условии, что образец совместим со сверхвысоким вакуумом и аналит можно отличить от фона.

В типичных приборах PES (UPS) используются газообразные гелиевые источники ультрафиолетового света с энергией фотонов до 52 эВ (соответствует длине волны 23,7 нм). Фотоэлектроны, которые действительно вышли в вакуум, собираются, немного задерживаются, разделяются по энергии и подсчитываются. В результате получается спектр интенсивности электронов как функция измеренной кинетической энергии. Поскольку значения энергии связи легче применять и понимать, значения кинетической энергии, которые зависят от источника, преобразуются в значения энергии связи, которые не зависят от источника. Это достигается применением соотношения Эйнштейна . Членом этого уравнения является энергией квантов света УФ, которые используются для фотовозбуждения. Спектры фотоэмиссии также измеряются с помощью перестраиваемых источников синхротронного излучения .

Энергии связи измеренных электронов характерны для химической структуры и молекулярных связей материала. При добавлении исходного монохроматора и увеличении энергетического разрешения электронного анализатора появляются пики с полной шириной на полувысоте (FWHM) менее 5–8 мэВ.

Смотрите также

Рекомендации

дальнейшее чтение

Внешние ссылки