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Photoelektronenspektroskopie (XPS)

Die Photoelektronenspektroskopie ermöglicht eine chemische und elektronische Untersuchung der Proben und ihrer Oberflächen bzw. Grenzflächen. Sie basiert auf dem von H. Hertz und W. Hallwachs 1887 entdeckten Photoelektrischen Effekt. Ein einfallendes Photon wird von einem gebundenen Atom-Elektron absorbiert. Das emittierte Elektron wird daher Photoelektron genannt und muss die Element- und Orbital-spezifische Bindungsenergie EB und die Austrittsarbeit überwinden. Die Rest-Energie verbleibt als kinetische Energie des Photoelektrons. Die resultierende Photoelektrische Gleichung wurde 1905 von Einstein aufgestellt:

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Durch eine Energieanalyse der Photoelektronen eines Festkörpers erhält man Informationen sowohl über seine elementspezifische Zusammensetzung, als auch über seine elektronische Struktur. Das Verfahren trägt den Namen Photoelektronenspektroskopie (oder engl.: photoelectron spectroscopy, PES) und ist je nach Lichtenergie in UPS (engl.: ultraviolet photoelectron spectroscopy) und XPS (engl.: X-ray photoelectron spectroscopy) unterteilt. Bestrahlt man mit ultravioletem Licht (hv < 50 eV) so können Energien und Zustandsdichten der Valenzbänder bestimmt werden (UPS). Wenn Röntgenlicht (hv > 100 eV) benutzt wird, ergeben sich Informationen über die kernnahen Niveaus (XPS). Die kernnahen elektronischen Zustände haben für ein Element charakteristische Energien, wodurch die chemische Analyse einer Probe möglich wird. Ferner hängen die Bindungsenergien auch vom Bindungspartner eines Elements ab ('chemical shift'), so daß durch die energetische Verschiebung häufig der Bindungszustand eines Elements bestimmt werden kann.

Die inelastische mittlere freie Weglänge von Photoelektronen im Festkörper ist eine Funktion ihrer kinetischen Energie und liegt zwischen ein bis mehrere hundert Å, typische Werte sind 5-50 Å. Hieraus ergibt sich die hohe Oberflächenempfindlichkeit der Photoelektronenspektroskopie.

Die Experimente am DELTA werden in einer kommerziellen Ultra-Hochvakuum Kammer durchgeführt, die mit einem Elektronen-Spektrometer, einem 2-Achsen Präzisionsgoniometer zur Kristallhalterung, einer konventionellen Röntgenröhre und einem 3-Gitter LEED System ausgerüstet ist. Ferner stehen zur Präparation ein Aufdampfsystem und ein Massenspektrometer zur Verfügung.

Bild1

 

 

Apparatur DeltaApparatur Delta