Электронная спектроскопия - Electron spectroscopy

Электронная спектроскопия относится к группе, образованной методами, основанными на анализе энергий испускаемых электронов, таких как фотоэлектроны и Оже-электроны. В эту группу входят Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS), который также известен как электронная спектроскопия для химического анализа (ESCA), Спектроскопия потерь энергии электронов (EELS), Ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия (ИБП) и Оже-электронная спектроскопия (AES). Эти аналитические методы используются для идентификации и определения элементов и их электронных структур с поверхности исследуемого образца. Образцы могут быть твердыми, газами или жидкостями.^[1][2]

Химическая информация получается только из самых верхних атомных слоев образца (глубиной 10 нм или меньше), поскольку энергии оже-электронов и фотоэлектронов довольно низки, обычно 20-2000 эВ. По этой причине электронная спектроскопия - это метод для поверхностный химический анализы.^[1]

История

Можно считать, что развитие электронной спектроскопии началось в 1887 году, когда немецкий физик Генрих Рудольф Герц обнаружил фотоэлектрический эффект но не смог это объяснить. В 1900 г. Макс Планк (Нобелевская премия по физике 1918 г.) предположил, что энергия, переносимая электромагнитными волнами, может выделяться только в виде «пакетов» энергии. В 1905 г. Альберт Эйнштейн (Нобелевская премия по физике 1921 г.) 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 событий и Второй мировой войны, Кай Зигбан (Нобелевская премия 1981 г.) вместе со своей исследовательской группой в Уппсале, Швеция, зарегистрировал в 1954 г. первое устройство XPS, способное производить 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 г. Дэвид В. Тернер в Имперский колледж Лондон (и позже Оксфордский университет ) развитый ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия (UPS) для молекулярных частиц с использованием гелиевой лампы.^[3]

Основная теория

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 отдельной 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, излучается флуоресцентный фотон (рисунок 1 (b)). В явлении Оже электрон в оболочке более высокого энергетического уровня заполняет дыру, которая заставляет соседний или соседний электрон испускать, образуя электрон Оже (рис. 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 аналогичную 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]

${displaystyle E_{ ext{binding}}=hu -E_{ ext{kinetic}}-phi }$

куда E_{привязка} - энергия связи фотоэлектрона, hν - энергия падающей частицы излучения, E_{кинетический} - кинетическая энергия фотоэлектрона, измеренная прибором, и ${displaystyle phi }$ это рабочая функция.^[1]

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

${displaystyle E_{ ext{kinetic}}=hu -E_{ ext{B}}-E_{ ext{C}}}$

куда E_{кинетический} - кинетическая энергия оже-электрона, hν - энергия падающей частицы излучения и E_B - первая энергия связи внешней оболочки и E_C - энергии связи второй внешней оболочки.^[1]

Виды электронной спектроскопии

• Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия
• Оже-электронная спектроскопия
• Спектроскопия потерь энергии электронов
• Ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопияc

Рекомендации

1. Ян Ленг; Характеристика материалов: Введение в микроскопические и спектроскопические методы (второе издание); Издатель John Wiley & Sons, Incorporated 2013; с: 191-192, 221-224.
2. Daintith, J .; Словарь по химии (6-е издание); Издательство Оксфордского университета, 2008; с: 191, 416, 541
3. Дж. Тео Клопрогге, Барри Дж. Вуд; Справочник по спектроскопии минералов: Том 1: Рентгеновские фотоэлектронные спектры; Эльзевир 2020; п. xiii-xiv.