Photoelektronenspektroskopie

Die Photoelektronenspektroskopie ist eine analytische Methode zur Untersuchung der elektronischen Struktur von Oberflächen und Festkörpern. Sie basiert auf dem Photoeffekt: Photonen lösen Elektronen aus der Probe, die dann nach ihrer kinetischen Energie analysiert werden. Aus hv, der gemessenen kinetischen Energie KE der Elektronen und der Arbeitsfunktion φ der Probe lässt sich die Bindungsenergie EB der Elektronen bestimmen. EB liefert Informationen über Elementzusammensetzung, chemische Zustände und Bindungsverhältnisse an der Oberfläche.

Zu den Hauptvarianten gehören X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy (UPS) und Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy (ARPES). XPS verwendet harte Photonen aus Röntgenquellen (typisch Al Kα oder Mg Kα) und ist besonders oberflächenempfindlich, typischerweise 1–10 Nanometer Eindringtiefe. XPS liefert Elementzusammensetzung sowie chemische Zustände durch chemische Verschiebungen der Kernzustände und ermöglicht Quantifizierung mittels sogenannten Sensitivitätsfaktoren. Depth profiling lässt sich durch gezieltes Abtragen der Oberflächenschicht erreichen.

UPS bedient sich UV-Licht und untersucht vor allem die Randzustände und die Arbeit des Elektronenkörpers, mit größerer Empfindlichkeit auf Valenzelektronen. ARPES misst zusätzlich den Emissionswinkel und ermöglicht die Abbildung der elektronischen Bandstruktur in k-Raum, insbesondere in Festkörpern und zweidimensionalen Materialien.

Weitere Varianten umfassen time-resolved Photoelectron Spectroscopy (TR-PES) zur Untersuchung ultrakneller dynamischer Prozesse und inverse Photoelektronenspektroskopie (IPES). Typische Messungen erfolgen in ultrahohen Vakuumsystemen, mit Monochromquellen und Hemisphär- oder Time-of-Flight-Elektronenanalysatoren. Anwendungen finden sich in der Materialwissenschaft, Katalyse, Halbleitertechnik, Oberflächenchemie und Energiespeicherung.

Historisch leiteten Experimente auf dem Photoeffekt von Einstein auf die Entwicklung der ESCA-Methodik; der Nobelpreis 1981 ging an Kai Siegbahn für seine Arbeiten in der Photoelektronenspektroskopie.