Spektroskopia elektronów

Spektroskopia elektronowa odnosi się do grupy utworzonej przez techniki oparte na analizie energii emitowanych elektronów, takie jak fotoelektrony i elektrony Augera . Ta grupa obejmuje rentgenowską spektroskopię fotoelektronów (XPS), znaną również jako spektroskopia elektronów do analizy chemicznej (ESCA), spektroskopia strat energii elektronów (EELS), spektroskopia fotoelektronów w ultrafiolecie (UPS) i spektroskopia elektronów Augera (AES). Te techniki analityczne służą do identyfikacji i określania pierwiastków i ich struktur elektronicznych z powierzchni badanej próbki. Próbkami mogą być ciała stałe, gazy lub ciecze.

Informacje chemiczne uzyskuje się tylko z najwyższych warstw atomowych próbki (głębokość 10 nm lub mniej), ponieważ energie elektronów Augera i fotoelektronów są dość niskie, zazwyczaj 20 - 2000 eV. Z tego powodu spektroskopia elektronowa jest techniką chemicznej powierzchni .

Historia

Można uznać, że rozwój spektroskopii elektronowej rozpoczął się w 1887 roku, kiedy niemiecki fizyk Heinrich Rudolf Hertz odkrył efekt fotoelektryczny , ale nie był w stanie go wyjaśnić. W 1900 roku Max Planck (Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki w 1918 roku) zasugerował, że energia przenoszona przez fale elektromagnetyczne może być uwalniana tylko w „pakietach” energii. W 1905 roku Albert Einstein (1921 Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki) wyjaśnił odkrycie Plancka i efekt fotoelektryczny. Przedstawił hipotezę, że energia świetlna jest przenoszona w dyskretnych skwantowanych pakietach (fotonach), z których każdy ma energię hν, aby wyjaśnić obserwacje eksperymentalne. Dwa lata po tej publikacji, w 1907 roku, PD Innes zarejestrował pierwsze widmo XPS.

Po licznych ulepszeniach i drugiej wojnie światowej Kai Siegbahn (Nagroda Nobla w 1981 r.) wraz ze swoją grupą badawczą w Uppsali w Szwecji zarejestrował w 1954 r. pierwsze urządzenie XPS, które wytwarza widmo XPS o wysokiej rozdzielczości energetycznej. W 1967 Siegbahn opublikował obszerne badanie XPS i jego przydatności, które nazwał spektroskopią elektronową do analizy chemicznej (ESCA). Równolegle z pracą Siegbahna, w 1962 roku David W. Turner z Imperial College London (a później Oxford University ) opracował spektroskopię fotoelektronów w ultrafiolecie (UPS) dla gatunków molekularnych przy użyciu lampy helowej.

Podstawowa teoria

W spektroskopii elektronowej, w zależności od techniki, napromieniowanie próbki cząstkami o wysokiej energii, takimi jak fotony rentgenowskie, elektrony wiązki elektronów lub fotony promieniowania ultrafioletowego, powoduje emisję elektronów Augera i fotoelektronów. Rysunek 1 ilustruje to na podstawie pojedynczej cząstki, w której na przykład foton promieniowania rentgenowskiego z określonego zakresu energii (E=hν) przekazuje swoją energię elektronowi w wewnętrznej powłoce atomu. Absorpcja fotonów spowodowana emisją elektronów pozostawia dziurę w powłoce atomowej (patrz rysunek 1 (a)). Otwór można wypełnić na dwa sposoby, tworząc różne charakterystyczne promienie, które są specyficzne dla każdego elementu. Gdy elektron w powłoce o wyższym poziomie energii wypełnia dziurę, emitowany jest foton fluorescencyjny (rysunek 1 (b)). W zjawisku Augera elektron w powłoce o wyższym poziomie energii wypełnia dziurę, która powoduje emisję sąsiedniego lub pobliskiego elektronu, tworząc elektron Augera (rysunek 1 (c)).

Rysunek 1. Powstawanie fotoelektronów (a), a następnie tworzenie fotonów fluorescencyjnych (b) lub elektronów Augera (c).

Jak widać z powyższego omówienia i rysunku 1, elektrony Augera i fotoelektrony różnią się pochodzeniem fizycznym, jednak oba rodzaje elektronów niosą podobne informacje o pierwiastkach chemicznych na powierzchniach materiałów. Każdy pierwiastek ma swoją własną specjalną energię elektronu Augera lub fotonu, na podstawie której można je zidentyfikować. Energię wiązania fotoelektronu można obliczyć za pomocą poniższego wzoru.

{\ Displaystyle E _ {\ tekst {wiązanie}} = h \ nu -E _ {\ tekst {kinetyczny}} - \ phi}

gdzie _wiązanie E to energia wiązania fotoelektronu, hν to energia nadchodzącej cząstki promieniowania, $to$ kinetyczna _to energia kinetyczna fotoelektronu mierzona przez urządzenie, a praca pracy .

Energia kinetyczna elektronu Augera jest w przybliżeniu równa różnicy energii między energiami wiązania powłok elektronowych biorących udział w procesie Augera. Można to obliczyć w następujący sposób:

{\ Displaystyle E _ {\ tekst {kinetyczny}} = h \ nu -E _ {\ tekst {B}} -E _ {\ tekst {C}}}

gdzie E _kinetyczna jest energią kinetyczną elektronu Augera, hν jest energią nadchodzącej cząstki promieniowania, drugiej _{E B jest energią wiązania pierwszej powłoki zewnętrznej, a EC} jest _energią wiązania powłoki zewnętrznej.

Rodzaje spektroskopii elektronowej