Материал: 684_Filimonova_N.I._Metody_ehlektronnoj_spektroskopii_

регистрируемых этим методом, а также в некоторых случаях идентифицировать места адсорбции. Об этом позволяет судить появление колебательных мод, соответствующих определенной связи между атомами адсорбата и подложки.

Также возможно определение ориентации адсорбированной молекулы в пространстве. Рассмотрение основано на дипольном правиле отбора в спектроскопии ХПЭЭ высокого разрешения.

51

6.МЕТОДЫ ФОТОЭЛЕКТРОННОЙ СПЕКТРОСКОПИИ

6.1.Физические основы. Фотоэлектрический эффект

Физической основой методов фотоэлектронной спектроскопии (ФЭС) является внешний фотоэффект. Фотон с энергией hν поглощается электроном с энергией связи Ев ниже уровня вакуума. Если энергии фотона достаточно для разрыва связи и преодоления электроном поверхностного потенциального барьера, он покидает твердое тело с кинетической энергией:

где Фо = Еvacuum – ЕFermi –работа выхода электронов из материала.

Электроны, покинувшие твердое тело в результате внешнего фотоэффекта называются фотоэлектронами.

Энергию, достаточную для преодоления поверхностного потенциального барьера, могут сохранить только те электроны, которые эмитировали с глубины, не превышающей несколько нанометров. В простейшем случае энергетическое распределение фотоэлектронов совпадает с распределением электронных состояний на поверхности твердого тела, смещенное вверх на величину hν.

Энергия фотонов известна, кинетическая энергия фотоэлектрона Еkin регистрируется с помощью спектрометра, а работа выхода легко определяется с помощью калибровочных экспериментов. Значит, легко можно определить энергию связи (ионизации) соответствующего электронного уровня, которая зависит от характера распределения электронов в исследуемой системе (рис.6.1). Но на самом деле, ввиду того, что вероятность поглощения фотона для различных электронных состояний различна, все оказывается несколько сложнее.

52

Ekin

Ein

ћω

EVAC

ћω

EF

Рис. 6.1. Процесс фотоэмиссии электронов [17]

Для регистрации фотоэлектронов, должны быть выполнены следующие условия [4]:

-Энергия фотона должна быть достаточна, чтобы электрон смог покинуть твердое тело, то есть hν ≥ Ев + Фо .

-Электрон не должен потерять энергию в столкновениях с другими электронами на своем пути к поверхности.

-Скорость электрона должна быть направлена в сторону внешней поверхности. Все методы ФЭС заключаются в получении спектров энергетического распределения фотоэлектронов, эмитируемых твердым телом при облучении потоком монохроматического электромагнитного излучения.

В зависимости от спектрального диапазона излучения, падающего на образец, различают две разновидности ФЭС:

1) рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию (РФЭС) (XRS - X- Ray Spectroscopy или XPS), в которой используется рентгеновское излучение с энергией квантов в диапазоне 100эВ – 10кэВ (соответствующие длины волн в диапазоне от 100 до 1 Å);

2) ультрафиолетовую фотоэлектронную спектроскопию (УФЭС) (UPS Ultra-violet Photoemission Spectroscopy), в которой используются фотоны ультрафиолетового спектрального диапазона 10 – 50эВ (соответствующие длины волн от 1000 до 250 Å).

При облучении образца рентгеновским излучением зондируются глубокие (остовные) уровни (рис.6.2,б), а при облучении фотонами ультрафиолетового спектрального диапазона возбуждаются электроны валентной зоны (рис.6.2,а).

53

Деление достаточно условно т.к. в обоих методах используются одни и те же физические процессы.

Внутренние

уровни

Рис. 6.2. Схематическое изображение процессов: ультрафиолетовой фотоэлектронной спектроскопии (а); рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (б) [5]

6.2. Экспериментальное оборудование ФЭС

Экспериментальное оборудование для фотоэлектронной спектроскопии содержит:

1.монохроматический источник фотонов;

2.держатель с образцом в камере сверхвысокого вакуума;

3.анализатор энергии для регистрации спектров фотоэлектронов;

4.электронный блок для обработки данных.

Источники излучения

Как уже было упомянуто выше, для РФЭС используются источники, излучение которых лежит в рентгеновском диапазоне. Для УФЭС применяют источники, излучающие в ультрафиолете. Это лабораторные источники для РФЭС и УФЭС, соответственно. Выделяют источники синхротронного излучения, которые покрывают весь диапазон энергий, требуемый для исследования фотоэмиссии.

В лабораторных источниках для РФЭС рентгеновское излучение создается бомбардировкой твердотельной мишени электронами с высокой энергией. Излучение, испускаемое такими мишенями, состоит из характеристических линий, связанных с переходами на вакансию, возникшую на глубоком уровне атома вследствие бомбардировки высокоэнергетичным электронным пучком. Как правило, эти линии наблюдаются на непрерывном фоне тормозного излучения, энергия квантов которого простирается вплоть до энергии падающего пучка электронов.

Обычно энергию падающих электронов выбирают таким образом, чтобы она превышала энергию связи К-уровня атомов мишени. Следовательно, в спектре источника рентгеновского излучения преобладают линии, связанные с заполнением вакансии на К-уровне.

По возможности, источник излучения должен быть с низким фоном тормозного излучения и узкими характеристическими линиями излучения.

54