Электронная спектроскопия

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]

История

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. Для объяснения экспериментальных наблюдений он представил гипотезу о том, что энергия света переносится дискретными квантованными пакетами (фотонами), каждый с энергией E = hν. 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]

Основная теория

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 основе одного события, в котором, например, падающий рентгеновский фотон из определенного диапазона энергий (E=hv) передает свою энергию электрону во внутренней оболочке атома. Поглощение этого фотона выбрасывает электрон и оставляет дырку в атомной оболочке (см. рис. 1 (а)). Отверстие можно заполнить двумя способами, образуя разные характерные лучи, специфичные для каждого элемента. Если электрон из оболочки с более высоким энергетическим уровнем перепрыгнет и заполнит дырку, то разница энергий может испуститься в виде флуоресцентного фотона (рис. 1 (б)). В оже-феномене, когда электрон прыгает с более высокого энергетического уровня, его энергия вместо этого вызывает выброс соседнего или близлежащего электрона, образуя оже-электрон (рисунок 1 (c)). ^[1]

Рисунок 1. Образование фотоэлектронов (а) с последующим образованием фотонов флуоресценции (б) или оже-электронов (в).

Как видно из приведенного выше обсуждения 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]

E_{\text{binding}}=h\nu -E_{\text{kinetic}}-\phi

где Eсвязывание _и — энергия связи фотоэлектрона, hν — энергия падающей частицы излучения, Екинетическая _{— кинетическая} энергия фотоэлектрона, измеренная устройством, $\phi$ это работа выхода . ^[1]

Кинетическая энергия оже-электрона примерно равна разности энергий связи электронных оболочек, участвующих в оже-процессе. Это можно рассчитать следующим образом: ^[1]

E_{\text{kinetic}}=h\nu -E_{\text{B}}-E_{\text{C}}

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]

Виды электронной спектроскопии

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Ян Ленг; Характеристика материалов: введение в микроскопические и спектроскопические методы (второе издание) ; Издатель John Wiley & Sons, Incorporated, 2013 г .; стр: 191-192, 221-224.
^ Дэйнтит, Дж.; Химический словарь (6-е издание) ; Издательство Оксфордского университета, 2008 г .; р: 191, 416, 541
^ Перейти обратно: ^а ^б Дж. Тео Клопрогге, Барри Дж. Вуд; Справочник по минеральной спектроскопии: Том 1: Рентгеновские фотоэлектронные спектры ; Эльзевир 2020 ; п. xiii-xiv.

[ref1-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Ян Ленг; Характеристика материалов: введение в микроскопические и спектроскопические методы (второе издание) ; Издатель John Wiley & Sons, Incorporated, 2013 г .; стр: 191-192, 221-224.

[ref2-2] Дэйнтит, Дж.; Химический словарь (6-е издание) ; Издательство Оксфордского университета, 2008 г .; р: 191, 416, 541

[ref3-3] Перейти обратно: ^а ^б Дж. Тео Клопрогге, Барри Дж. Вуд; Справочник по минеральной спектроскопии: Том 1: Рентгеновские фотоэлектронные спектры ; Эльзевир 2020 ; п. xiii-xiv.

[1]

[2]

[3]