Фотоэмиссионная спектроскопия

редактировать
Принцип фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением.

Фотоэмиссионная спектроскопия (PES ), также известная как фотоэлектронная спектроскопия, относится к измерению энергии электронов, испускаемых твердыми телами, газами или жидкостями 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 фотонами рентгеновского излучения или ультрафиолетовыми фотонами. Однако, независимо от падающего пучка фотонов, вся фотоэлектронная спектроскопия вращается вокруг общей темы анализа поверхности путем измерения выброшенных электронов.

Содержание

  • 1 Типы
  • 2 Физический принцип
  • 3 См. Также
  • 4 Ссылки
  • 5 Дополнительная литература
  • 6 Внешние ссылки

Типы

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS) была разработана Каем Зигбаном, начиная с 1957 года и используется для изучать энергетические уровни электронов атомного остова, прежде всего в твердых телах. Зигбан называл этот метод «электронной спектроскопией для химического анализа» (ESCA), поскольку 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 в 1981 году. XPS иногда называют PESIS (фотоэлектронная спектроскопия для внутренних оболочек), тогда как ультрафиолетовое излучение с меньшей энергией называют PESOS (внешние оболочки), потому что оно не может возбуждать электроны ядра.

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 также другими ранними исследователями, включая Дэвида К. Фроста, JHD Eland и К. Кимура. Позже Ричард Смолли модифицировал эту технику и использовал ультрафиолетовый 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 ИБП выбрасываемые электроны быстрее, что приводит к меньшему пространственному заряду и смягчению эффектов конечного состояния.

Физический принцип

Физика, лежащая в основе Метод PES - это применение фотоэлектрического эффекта. Образец подвергается воздействию луча 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, 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.

Типичные приборы PES (UPS) используют газообразный гелий 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 более легко 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 E k = h ν - E B {\ displaystyle E_ {k} = h \ nu -E_ {B}}E_ {k} = h \ nu -E_ {B} . Член h ν {\ displaystyle h \ nu}h \ nu в этом уравнении представляет собой энергию квантов УФ-света, которые используются для фотовозбуждения. Спектры фотоэмиссии также измеряются с использованием перестраиваемых источников синхротронного излучения.

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

См. Также

Литература

Дополнительная литература

Внешние ссылки

Последняя правка сделана 2021-06-02 04:12:14
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте