Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Электронная спектроскопия относится к группе, образованной методами, основанными на анализе энергий испускаемых электронов, таких как фотоэлектроны и электроны Оже . Эта группа включает рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию (XPS), которая также известна как электронная спектроскопия для химического анализа (ESCA), спектроскопия потерь энергии электронов (EELS), ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия (UPS) и электронная спектроскопия Оже (AES). Эти аналитические методы используются для идентификации и определения элементов и их электронных структур с поверхности исследуемого образца. Образцы могут быть твердыми, газообразными или жидкостными. [1] [2]

Химическая информация получается только из самых верхних атомных слоев образца (глубиной 10 нм или меньше), потому что энергии оже-электронов и фотоэлектронов довольно низки, обычно 20-2000 эВ. По этой причине электронная спектроскопия - это метод химического анализа поверхности . [1]

История [ править ]

Можно считать, что развитие электронной спектроскопии началось в 1887 году, когда немецкий физик Генрих Рудольф Герц открыл фотоэлектрический эффект, но не смог его объяснить. В 1900 году Макс Планк (лауреат Нобелевской премии по физике 1918 года) предположил, что энергия, переносимая электромагнитными волнами, может выделяться только в виде «пакетов» энергии. В 1905 году Альберт Эйнштейн (лауреат Нобелевской премии по физике 1921 года) объяснил открытие Планка и фотоэлектрический эффект. Он представил гипотезу о том, что световая энергия переносится дискретными квантованными пакетами (фотонами), каждый с энергией hν, чтобы объяснить экспериментальные наблюдения. Через два года после этой публикации, в 1907 г., П. Д. Иннес зарегистрировал первый спектр XPS. [3]

После многочисленных разработок и Второй мировой войны Кай Зигбан (лауреат Нобелевской премии 1981 г.) со своей исследовательской группой в Уппсале, Швеция, зарегистрировал в 1954 г. первое устройство XPS, производящее спектр XPS с высоким энергетическим разрешением. В 1967 году Зигбан опубликовал всестороннее исследование XPS и его полезности, которое он назвал электронной спектроскопией для химического анализа (ESCA). Одновременно с работой Зигбана в 1962 году Дэвид У. Тернер из Имперского колледжа Лондона (а затем Оксфордского университета ) разработал ультрафиолетовую фотоэлектронную спектроскопию (ИБП) для молекулярных частиц с использованием гелиевой лампы. [3]

Основная теория [ править ]

В электронной спектроскопии, в зависимости от метода, облучение образца частицами высокой энергии, такими как рентгеновские фотоны, электроны электронного пучка или фотоны ультрафиолетового излучения, вызывает испускание оже-электронов и фотоэлектронов. Рисунок 1 иллюстрирует это на основе одной частицы, в которой, например, падающий рентгеновский фотон из определенного диапазона энергий (E = hν) передает свою энергию электрону во внутренней оболочке атома. Поглощение фотонов вызывает эмиссию электронов, оставляющих дыру в атомной оболочке (см. Рисунок 1 (а)). Отверстие можно заполнить двумя способами, образуя разные характерные лучи, характерные для каждого элемента. Когда электрон в оболочке более высокого энергетического уровня заполняет дыру, испускается флуоресцентный фотон (рисунок 1 (b)). В феномене ОжеЭлектрон в оболочке более высокого энергетического уровня заполняет дыру, которая заставляет соседний или соседний электрон испускать, образуя оже-электрон (рисунок 1 (c)).[1]

Рис. 1. Образование фотоэлектронов (а) с последующим образованием фотонов флуоресценции (б) или оже-электронов (в).

Как видно из обсужденного выше и рисунка 1, оже-электроны и фотоэлектроны различаются по своему физическому происхождению, однако оба типа электронов несут одинаковую информацию о химических элементах на поверхности материала. У каждого элемента есть своя особая энергия электронов Оже или фотонов, по которой их можно идентифицировать. Энергию связи фотоэлектрона можно рассчитать по следующей формуле. [1]

где E binding - энергия связи фотоэлектрона, hν - энергия падающей частицы излучения, E kinetic - кинетическая энергия фотоэлектрона, измеренная устройством, и является работой выхода . [1]

Кинетическая энергия оже-электрона примерно равна разности энергий между энергиями связи электронных оболочек, участвующих в оже-процессе. Это можно рассчитать следующим образом: [1]

где E kinetic - кинетическая энергия оже-электрона, hν - энергия падающей частицы излучения, E B - энергия связи первой внешней оболочки, а E C - энергии связи второй внешней оболочки. [1]

Виды электронной спектроскопии [ править ]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Б с д е е г Ян Ленга; Характеристика материалов: Введение в микроскопические и спектроскопические методы (второе издание) ; Издатель John Wiley & Sons, Incorporated, 2013 г . ; с: 191-192, 221-224.
  2. ^ Daintith, J .; Словарь по химии (6-е издание) ; Oxford University Press, 2008 ; с: 191, 416, 541
  3. ^ а б Дж. Тео Клопрогге, Барри Дж. Вуд; Справочник по минеральной спектроскопии: Том 1: Рентгеновские фотоэлектронные спектры ; Elsevier 2020 ; п. xiii-xiv.