Электронная спектроскопия относится к группе методов, основанных на анализе энергий испускаемых электронов, таких как фотоэлектроны и оже-электроны . В эту группу входят рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS), которая также известна как электронная спектроскопия для химического анализа (ESCA), спектроскопия потерь энергии электронов (EELS), ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия (UPS) и электронная оже-спектроскопия (AES). Эти аналитические методы используются для идентификации и определения элементов и их электронных структур с поверхности испытуемого образца. Образцы могут представлять собой твердые вещества, газы или жидкости. [1] [2]
Химическая информация получается только из самых верхних атомных слоев образца (глубиной 10 нм или менее), поскольку энергии оже-электронов и фотоэлектронов довольно низки, обычно 20–2000 эВ. По этой причине методы электронной спектроскопии используются для анализа поверхностных химических веществ . [1]
Развитие электронной спектроскопии можно считать начавшимся в 1887 году, когда немецкий физик Генрих Рудольф Герц открыл фотоэлектрический эффект , но не смог его объяснить. В 1900 году Макс Планк (Нобелевская премия по физике 1918 года) предположил, что энергия, переносимая электромагнитными волнами, может выделяться только в виде «пакетов» энергии. В 1905 году Альберт Эйнштейн (Нобелевская премия по физике 1921 года) объяснил открытие Планка и фотоэлектрический эффект. Он представил гипотезу о том, что энергия света переносится дискретными квантованными пакетами (фотонами), каждый из которых имеет энергию hν, чтобы объяснить экспериментальные наблюдения. Через два года после этой публикации, в 1907 году, П.Д. Иннес зарегистрировал первый спектр РФЭС. [3]
После многочисленных разработок и Второй мировой войны Кай Зигбан (Нобелевская премия 1981 года) со своей исследовательской группой в Упсале, Швеция, зарегистрировал в 1954 году первое XPS-устройство, создающее XPS-спектр с высоким энергетическим разрешением. В 1967 году Зигбан опубликовал комплексное исследование РФЭС и его полезности, которое он назвал электронной спектроскопией для химического анализа (ESCA). Одновременно с работой Зигбана в 1962 году Дэвид Тернер из Имперского колледжа Лондона (а позже и Оксфордского университета ) разработал ультрафиолетовую фотоэлектронную спектроскопию (UPS) для молекулярных частиц с использованием гелиевой лампы. [3]
В электронной спектроскопии, в зависимости от метода, облучение образца частицами высокой энергии, такими как рентгеновские фотоны, электроны электронного пучка или фотоны ультрафиолетового излучения, приводит к излучению оже-электронов и фотоэлектронов. Рисунок 1 иллюстрирует это на примере одной частицы, в которой, например, падающий рентгеновский фотон из определенного диапазона энергий (E=hν) передает свою энергию электрону во внутренней оболочке атома. Поглощение фотона, вызванное эмиссией электронов, оставляет дыру в атомной оболочке (см. рисунок 1 (а)). Отверстие можно заполнить двумя способами, образуя разные характерные лучи, специфичные для каждого элемента. Когда электрон на оболочке более высокого энергетического уровня заполняет дырку, испускается флуоресцентный фотон (рис. 1 (б)). При оже-феномене электрон на оболочке более высокого энергетического уровня заполняет дырку, вызывающую эмиссию соседнего или близлежащего электрона, образуя оже-электрон (рисунок 1(в)). [1]
Как видно из рассмотренного выше и рисунка 1, оже-электроны и фотоэлектроны различны по своему физическому происхождению, однако оба типа электронов несут сходную информацию о химических элементах на поверхностях материалов. Каждый элемент имеет свою особую энергию оже-электронов или фотонов, по которой их можно идентифицировать. Энергию связи фотоэлектрона можно рассчитать по приведенной ниже формуле. [1]
где Eсвязывание — энергия связи фотоэлектрона, hν — энергия падающей частицы излучения, Екинетическая — кинетическая энергия фотоэлектрона, измеренная устройством, и — работа выхода . [1]
Кинетическая энергия оже-электрона примерно равна разности энергий связи электронных оболочек, участвующих в оже-процессе. Это можно рассчитать следующим образом: [1]
где E кинетическая - кинетическая энергия оже-электрона, hν - энергия падающей радиационной частицы, EB - энергия связи первой внешней оболочки, а EC - энергии связи второй внешней оболочки. [1]
