fotoelektronspektroskopi

Fotoelektronska spektroskopija (FES) je skup tehnika koje koriste izbacivanje elektrona iz materijala uslijed fotoionizacije kako bi se istražila elektronska struktura i kemijsko stanje površina. Osnovni princip temelji se na fotoelektričkom efektu: fotoni s energijom hν oslobađaju elektrone iz vezanih stanja, a mjerenjem kinetičke energije Ek i broja emitiranih elektrona može se odrediti vezana energija Eb i kemijsko okruženje elemenata. Energija nastajanja i isijanja slijedi očuvanje energije: hν = Eb + Ek + φ, pri čemu φ predstavlja radnu funkciju površine.

Najvažnije izvedbe su X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) i ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS). XPS koristi rendgensko zračenje (npr. Al Kα ~1486 eV) za identifikaciju elemenata i kemijskih stanja na površini; UPS koristi UV zračenje za ispitivanje valnih orbitala najvišeg zauzetog stanja i radne funkcije. ARPES (angle-resolved photoelectron spectroscopy) dodaje mjerenje kuta emitiranih elektrona radi kartiranja elektronske strukture i gibanja nosioca naboja u kristalu.

Instrumentski sustav obično uključuje izvor fotona (rendgenski ili UV), visoko-vakuumsko okruženje, analizer energije elektron (hemisferični ili time-of-flight) i detektore za kvantitativnu analizu spektra. Spektri pružaju informacije o elementima, njihovim kemijskim stanjima i vezama. XPS općenito pruža površinsku kompoziciju i stanje kemijskih veza do dubine nekoliko nanometara; UPS i ARPES su osjetniji na površinu i na elektronsku strukturu, često uz manju dubinu nego XPS.

Primjene uključuju identifikaciju elemenata i oksidacijskih stanja na površinama katalizatora, semikonduktora i polimera, praćenje kemijskih promjena pri površinskoj obradi, te karakterizaciju tankih slojeva. Povijesno, temelji su u fotoelektričkom efektu opisanom od Einsteina (1905); razvoj XPS-a sredinom 1960-ih doprinio je Kai Siegbahn, za što je dodijeljena Nobelova nagrada 1981. godine.