stringtranslate.com

Фотоэмиссионная спектроскопия

Принцип фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением .

Фотоэмиссионная спектроскопия ( ПЭС ), также известная как фотоэлектронная спектроскопия , [1] относится к измерению энергии электронов, испускаемых из твердых тел, газов или жидкостей посредством фотоэлектрического эффекта , с целью определения энергии связи электронов в веществе. Термин относится к различным методам, в зависимости от того, обеспечивается ли энергия ионизации рентгеновскими , XUV или УФ- фотонами. 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) была разработана Каем Сигбаном в 1957 году [3] [4] и используется для изучения энергетических уровней атомных электронов ядра, в основном в твердых телах. Сигбан называл эту технику «электронной спектроскопией для химического анализа» (ESCA), поскольку уровни ядра имеют небольшие химические сдвиги в зависимости от химического окружения атома, который ионизирован, что позволяет определять химическую структуру. Сигбан был удостоен Нобелевской премии в 1981 году за эту работу. XPS иногда называют PESIS (фотоэлектронная спектроскопия для внутренних оболочек), тогда как низкоэнергетическое излучение ультрафиолетового света называют PESOS (внешние оболочки), поскольку оно не может возбуждать электроны ядра. [5]

Ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия (УФЭС) используется для изучения уровней валентной энергии и химических связей, особенно характера связей молекулярных орбиталей. Метод был первоначально разработан для молекул газовой фазы в 1961 году Федором И. Вилесовым [6] и в 1962 году Дэвидом В. Тернером [ 7] и другими ранними исследователями, включая Дэвида К. Фроста, Дж. Х. Д. Эланд и К. Кимуру. Позднее Ричард Смолли модифицировал технику и использовал УФ-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 разрешении энергии и импульса и широкой доступности синхротронных источников света. Эта техника 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 метод до оптически возбужденных электронных состояний за счет введения схемы «накачка и зондирование».

Экстремально-ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия (EUPS) находится между XPS и UPS. Обычно она используется для оценки структуры валентной зоны. [8] По сравнению с XPS она дает лучшее энергетическое разрешение, а по сравнению с UPS выброшенные электроны быстрее, что приводит к меньшему пространственному заряду и смягченным эффектам конечного состояния. [9] [10] [11]

Физический принцип

Физика, лежащая в основе метода PES, представляет собой применение фотоэлектрического эффекта . Образец подвергается воздействию пучка ультрафиолетового или икс-ультрафиолетового света, вызывающего фотоэлектрическую ионизацию. Энергии испускаемых фотоэлектронов характерны для их исходных электронных состояний и зависят также от колебательного состояния и вращательного уровня. Для твердых тел фотоэлектроны могут выходить только с глубины порядка нанометров, поэтому анализируется поверхностный слой.

Из-за высокой частоты света и существенного заряда и энергии испускаемых электронов фотоэмиссия является одним из самых чувствительных и точных методов измерения энергий и форм электронных состояний, а также молекулярных и атомных орбиталей. Фотоэмиссия также является одним из самых чувствительных методов обнаружения веществ в следовых концентрациях, при условии, что образец совместим со сверхвысоким вакуумом, а аналит можно отличить от фона.

Типичные приборы PES (UPS) используют гелиевые газообразные источники УФ-излучения с энергией фотонов до 52 эВ (что соответствует длине волны 23,7 нм). Фотоэлектроны, которые фактически вылетели в вакуум, собираются, слегка задерживаются, разделяются по энергии и подсчитываются. Это приводит к спектру интенсивности электронов как функции измеренной кинетической энергии. Поскольку значения энергии связи легче применять и понимать, значения кинетической энергии, которые зависят от источника, преобразуются в значения энергии связи, которые не зависят от источника. Это достигается путем применения соотношения Эйнштейна . Член этого уравнения — энергия квантов УФ-излучения, которые используются для фотовозбуждения. Спектры фотоэмиссии также измеряются с использованием настраиваемых источников синхротронного излучения .

Энергии связи измеренных электронов характеризуют химическую структуру и молекулярную связь материала. При добавлении монохроматора источника и увеличении энергетического разрешения электронного анализатора появляются пики с полной шириной на полувысоте (FWHM) менее 5–8 мэВ.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ IUPAC , Compendium of Chemical Terminology , 2nd ed. («Золотая книга») (1997). Онлайн-исправленная версия: (2006–) «фотоэлектронная спектроскопия (PES)». 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). «Точный метод получения абсолютных значений энергий связи атомов». Physical Review . 105 (5): 1676. Bibcode : 1957PhRv..105.1676N. doi : 10.1103/PhysRev.105.1676.
  4. ^ Соколовский Э.; Нордлинг К.; Зигбан К. (1957). «Магнитный анализ рентгеновских фото и оже-электронов». Архив для Fysik . 12 :301. ОСТИ  4353113.
  5. ^ Ghosh, PK (1983). Введение в фотоэлектронную спектроскопию . John Wiley & Sons . ISBN 978-0-471-06427-5.
  6. ^ Вилесов, ФИ; Курбатов, БЛ; Теренин, А.Н. (1961). «Распределение электронов по энергиям при фотоионизации ароматических аминов в газовой фазе». Доклады АН СССР . 6 : 490. Bibcode :1961SPhD....6..490V.
  7. ^ Тернер, Д. В.; Джобори, М. И. Аль (1962). «Определение потенциалов ионизации путем измерения энергии фотоэлектронов». Журнал химической физики . 37 (12): 3007. Bibcode : 1962JChPh..37.3007T. doi : 10.1063/1.1733134.
  8. ^ Bauer, M.; Lei, C.; Read, K.; Tobey, R.; et al. (2001). "Direct Observation of Surface Chemistry Using Ultrafast Soft-X-Ray Pulses" (PDF) . Physical Review Letters . 87 (2): 025501. Bibcode :2001PhRvL..87b5501B. doi :10.1103/PhysRevLett.87.025501. Архивировано из оригинала (PDF) 2007-06-11.
  9. ^ Кордер, Кристофер; Чжао, Пэн; Бакалис, Цзинь; Ли, Синьлун; Кершис, Мэтью Д.; Мурака, Аманда Р.; Уайт, Майкл Г.; Эллисон, Томас К. (2018-01-24). "Сверхбыстрая экстремальная ультрафиолетовая фотоэмиссия без пространственного заряда". Structural Dynamics . 5 (5): 054301. arXiv : 1801.08124 . doi :10.1063/1.5045578. PMC 6127013 . PMID  30246049. 
  10. ^ He, Yu; Vishik, Inna M.; Yi, Ming; Yang, Shuolong; Liu, Zhongkai; Lee, James J.; Chen, Sudi; Rebec, Slavko N.; Leuenberger, Dominik (январь 2016 г.). "Приглашенная статья: Высокоразрешающая угловая фотоэмиссия с настольным лазером на 11 эВ". Review of Scientific Instruments . 87 (1): 011301. arXiv : 1509.01311 . Bibcode :2016RScI...87a1301H. doi :10.1063/1.4939759. ISSN  0034-6748. PMID  26827301. S2CID  205211154.
  11. ^ Робертс, Ф. Слоан; Андерсон, Скотт Л.; Ребер, Артур К.; Кханна, Шив Н. (2015-03-05). «Эффекты начального и конечного состояния в ультрафиолетовой и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (UPS и XPS) кластеров Pdn выбранного размера, закрепленных на TiO2(110)». Журнал физической химии C. 119 ( 11): 6033–6046. doi :10.1021/jp512263w. ISSN  1932-7447.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки