Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Принцип фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением.

Фотоэмиссионная спектроскопия ( PES ), также известная как фотоэлектронная спектроскопия , [1] 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 , рентгеновскими или ультрафиолетовыми фотонами. Однако, независимо от падающего пучка фотонов, вся фотоэлектронная спектроскопия вращается вокруг общей темы анализа поверхности путем измерения выброшенных электронов. [2]

Типы [ править ]

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS) была разработана Каем Зигбаном, начиная с 1957 года [3] [4], и используется для изучения уровней энергии остовных электронов атомов, прежде всего в твердых телах. Зигбан называл этот метод «электронной спектроскопией для химического анализа» (ESCA), поскольку у основных уровней есть небольшие химические сдвиги в зависимости от химического окружения ионизируемого атома, 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), поскольку оно не может возбудить остовные электроны.[5]

Ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия (UPS) используется для изучения уровней валентной энергии и химической связи, особенно характера связи молекулярных орбиталей. Метод был разработан первоначально для газофазных молекул в 1961 году Федором И. И. Вилесовым [6] , а в 1962 году Дэвид У. Тернер , [7] и другие ранние рабочие включены Дэвид С. Мороз, JHD Канна и К. Кимуры. 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 отображения 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. [8] По сравнению с XPS, он дает лучшее разрешение по энергии, а по сравнению с UPS, выбрасываемые электроны быстрее, что приводит к меньшему объему заряда и смягчению эффектов конечного состояния. [9] [10] [11]

Физический принцип [ править ]

Физика, лежащая в основе техники PES, основана на применении 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 вылетать 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.

Типичные приборы PES (UPS) используют газообразный гелий источники УФ-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 . 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 характеризуют химическую структуру и молекулярные связи 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 [ править ]

Ссылки [ править ]

  1. ^ IUPAC , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) « фотоэлектронная спектроскопия (ПЭС) ». DOI : 10,1351 / goldbook.P04609
  2. ^ Геркулес, DM; Геркулес, SH Al (1984). «Аналитическая химия поверхностей. Часть I. Общие аспекты». Журнал химического образования . 61 (5): 402. Bibcode : 1984JChEd..61..402H . DOI : 10.1021 / ed061p402 .
  3. ^ Нордлинг, Карл; Соколовски, Эвелин; Зигбан, Кай (1957). «Прецизионный метод получения абсолютных значений энергии связи атомов». Физический обзор . 105 (5): 1676. Bibcode : 1957PhRv..105.1676N . DOI : 10.1103 / PhysRev.105.1676 .
  4. ^ Соколовский E .; Nordling C .; Зигбан К. (1957). «Магнитный анализ рентгеновских фото и оже-электронов» . Arkiv för Fysik . 12 : 301.
  5. Перейти ↑ Ghosh, PK (1983). Введение в фотоэлектронную спектроскопию . Джон Вили и сыновья . ISBN 978-0-471-06427-5.
  6. ^ Вилесов, FI; Курбатов Б.Л .; Теренин, АН (1961). «Распределение электронов по энергиям при фотоионизации ароматических аминов в газовой фазе». Доклады Советской физики . 6 : 490. Bibcode : 1961SPhD .... 6..490V .
  7. ^ Тернер, DW; Джобори, М. И. Ал (1962). «Определение потенциалов ионизации фотоэлектронным измерением энергии». Журнал химической физики . 37 (12): 3007. Bibcode : 1962JChPh..37.3007T . DOI : 10.1063 / 1.1733134 .
  8. ^ Бауэр, М .; Lei, C .; Прочтите, К .; Tobey, R .; и другие. (2001). «Прямое наблюдение химии поверхности с использованием сверхбыстрых импульсов мягкого рентгеновского излучения» (PDF) . Письма с физическим обзором . 87 (2): 025501. Bibcode : 2001PhRvL..87b5501B . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.87.025501 . Архивировано из оригинального (PDF) 11 июня 2007 года.
  9. ^ Кордер, Кристофер; Чжао, Пэн; Бакалис, Джин; Ли, Синьлун; Кершис, Мэтью Д.; Muraca, Amanda R .; Белый, Майкл Дж .; Эллисон, Томас К. (24 января 2018 г.). «Сверхбыстрая фотоэмиссия в крайнем ультрафиолете без пространственного заряда» . Структурная динамика . 5 (5): 054301. arXiv : 1801.08124 . DOI : 10.1063 / 1.5045578 . PMC 6127013 . PMID 30246049 .  
  10. ^ Он, Ю; Вишик, Инна М .; Йи, Мин; Ян, Шуолун; Лю, Чжункай; Ли, Джеймс Дж .; Чен, Суди; Ребек, Славко Н .; Леуэнбергер, Доминик (январь 2016 г.). «Приглашенная статья: Фотоэмиссия с высоким разрешением и угловым разрешением с настольным лазером 11 эВ». Обзор научных инструментов . 87 (1): 011301. arXiv : 1509.01311 . Bibcode : 2016RScI ... 87a1301H . DOI : 10.1063 / 1.4939759 . ISSN 0034-6748 . PMID 26827301 .  
  11. ^ Робертс, Ф. Слоан; Андерсон, Скотт Л .; Ребер, Артур С .; Ханна, Шив Н. (2015-03-05). «Эффекты начального и конечного состояния в ультрафиолетовой и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (UPS и XPS) кластеров Pdn выбранного размера, поддерживаемых на TiO2 (110)». Журнал физической химии C . 119 (11): 6033–6046. DOI : 10.1021 / jp512263w . ISSN 1932-7447 . 

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Райнерт, Фридрих; Хюфнер, Стефан (2005). «Фотоэмиссионная спектроскопия - от первых дней до недавних приложений» . Новый журнал физики . 7 (1): 97. Bibcode : 2005NJPh .... 7 ... 97R . DOI : 10.1088 / 1367-2630 / 7/1/097 . ISSN  1367-2630 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Презентация принципа ARPES