Фотоэмиссионная спектроскопия - Photoemission spectroscopy

Принцип фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением.

Фотоэмиссионная спектроскопия (PES), также известен как фотоэлектронная спектроскопия,[1] относится к измерению энергии электронов, испускаемых твердыми телами, газами или жидкостями фотоэлектрический эффект, чтобы определить энергии связи электронов в веществе. Этот термин относится к различным методам, в зависимости от того, ионизация энергия обеспечивается Рентгеновский фотоны или ультрафиолетовый фотоны. Однако, независимо от падающего пучка фотонов, вся фотоэлектронная спектроскопия вращается вокруг общей темы анализа поверхности путем измерения выброшенных электронов.[2]

Типы

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS) был разработан Кай Зигбан с 1957 г.[3][4] и используется для изучения уровней энергии электронов атомного остова, в основном в твердых телах. Зигбан назвал этот метод «электронной спектроскопией для химического анализа» (ESCA), так как на основных уровнях химические сдвиги в зависимости от химической среды ионизированного атома, что позволяет определить химическую структуру. Зигбан был награжден Нобелевская премия в 1981 г. за эту работу. 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. Первоначально метод был разработан для молекул газовой фазы в 1961 г. Федор Иванович Вилесов[6] а в 1962 г. Дэвид В. Тернер,[7] и другими ранними работниками были Дэвид К. Фрост, Дж. Х. Д. Эланд и К. Кимура. Позже, Ричард Смолли модифицировал методику 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 технику до оптически возбужденных электронных состояний за счет введения схемы накачки и зонда.

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 пространственному заряду и смягчению эффектов конечного состояния.[9][10][11]

Физический принцип

Физика, лежащая в основе техники PES, основана на применении фотоэлектрический эффект. 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, так что 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 . В членом этого уравнения является энергия квантов УФ-излучения, которые используются для фотовозбуждения. Спектры фотоэмиссии также измеряются с помощью настраиваемого синхротронное излучение источники.

Энергии связи измеренных электронов характеризуют химическую структуру и молекулярные связи материала. При добавлении исходного монохроматора и увеличении энергетического разрешения электронного анализатора появляются пики с полная ширина на половине максимальной (FWHM) менее 5–8 мэВ.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ ИЮПАК, Сборник химической терминологии, 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) "фотоэлектронная спектроскопия (ПЭС) ". Дои:10.1351 / goldbook.P04609
  2. ^ Геркулес, Д. М .; Геркулес, С. Ал (1984). «Аналитическая химия поверхностей. Часть I. Общие аспекты». Журнал химического образования. 61 (5): 402. Bibcode:1984JChEd..61..402H. Дои: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:1957ПхРв..105.1676Н. Дои:10.1103 / PhysRev.105.1676.
  4. ^ Соколовский Э .; Nordling C .; Зигбан К. (1957). «Магнитный анализ рентгеновских фото и оже-электронов». Arkiv för Fysik. 12: 301.
  5. ^ Гош, П. К. (1983). Введение в фотоэлектронную спектроскопию. Джон Уайли и сыновья. ISBN  978-0-471-06427-5.
  6. ^ Вилесов, Ф. И .; Курбатов Б.Л .; Теренин, А. Н. (1961). «Распределение электронов по энергиям при фотоионизации ароматических аминов в газовой фазе». Советская физика.. 6: 490. Bibcode:1961СПХД .... 6..490В.
  7. ^ Тернер, Д. У .; Джобори, М. И. Ал (1962). «Определение потенциалов ионизации фотоэлектронным измерением энергии». Журнал химической физики. 37 (12): 3007. Bibcode:1962ЖЧФ..37.3007Т. Дои:10.1063/1.1733134.
  8. ^ Bauer, M .; Lei, C .; Прочтите, К .; Tobey, R .; и другие. (2001). «Прямое наблюдение химии поверхности с использованием сверхбыстрых импульсов мягкого рентгеновского излучения» (PDF). Письма с физическими проверками. 87 (2): 025501. Bibcode:2001ПхРвЛ..87б5501Б. Дои:10.1103 / PhysRevLett.87.025501. Архивировано из оригинал (PDF) на 2007-06-11.
  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 объемного заряда». Структурная динамика. 5 (5): 054301. arXiv:1801.08124. Дои:10.1063/1.5045578. ЧВК  6127013. PMID  30246049.
  10. ^ Эй ты; 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 настольного лазера 11 эВ". Обзор научных инструментов. 87 (1): 011301. arXiv:1509.01311. Bibcode:2016RScI ... 87a1301H. Дои: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. Дои:10.1021 / jp512263w. ISSN  1932-7447.

дальнейшее чтение

внешние ссылки