(english version below)
| Die Photoelektronenspektroskopie mit Röntgenstrahlung (engl.: x-ray photoelectron spectroscopy, kurz: XPS) ermöglicht eine Untersuchung der chemischen und elektronischen Struktur von Proben, mit besonderer Sensitivität für ihre Oberflächen und Grenzflächen. Die Methode basiert auf dem von H. Hertz und W. Hallwachs im Jahre 1887 entdeckten Photoelektrischen Effekt. Ein einfallendes Photon wird von einem im Festkörper gebundenen Elektron absorbiert und dieses als sogenanntes Photoelektron emittiert. Bei der Photoemission muss die anregende Photonenenergie hv größer sein, als die element- und orbitalspezifische Bindungsenergie Ebin und die materialspezifische Austrittsarbeit Phi, um ein Photoelektron mit einer kinetischen Energie Ekin aus dem Festkörper herauszulösen. |  |
Die quantitative Beschreibung dieses Prozesses erfolgt durch die 1905 von Einstein aufgestellte Photoelektrische Gleichung:
Durch die Detektion der Photoelektronen und deren Energieanalyse erhält man Informationen über die chemische Zusammensetzung einer Probe, wie auch über die elektronische Struktur der Atome. Die inelastische mittlere freie Weglänge (IMFP) gibt an, welche mittlere Wegstrecke lambda ein Elektron mit der kinetischen Energie Ekin im Festkörper zurücklegen kann, bevor es vollständig absorbiert wird. Der Verlauf dieser Kurve in Abhängigkeit von der kinetischen Energie ist näherungsweise materialunabhängig und beträgt typischerweise 5-50 Å. Sie gilt als Maß für die Informationstiefe einer zu untersuchenden Probe, woraus sich die hohe Oberflächenempfindlichkeit der Photoelektronenspektroskopie ergibt. Auf dieser Grundlage lassen sich, abhängig von der Photonenenergie, verschiedene Bereiche der Photoelektronenspektroskopie definieren, wie beispielsweise die UPS (engl.: ultraviolet photoelectron spectroscopy), XPS (engl.: X-ray photoelectron spectroscopy) oder HAXPES (engl.: hard x-ray photoelectron spectroscopy). Neben der IMFP spielen auch die Ursprünge der Photoelektronen eine Rolle. Während man beispielsweise eine Probe mit ultravioletem Licht (hv < 50 eV) bestrahlt, können die Struktur und Zustandsdichten der Valenzbänder bestimmt werden (UPS), wobei die Verwendung von Röntgenstrahlung (hv > 100 eV) Informationen über die kernnahen Niveaus liefern kann (XPS). Diese sogenannten Rumpfniveaus (engl.: core-level) haben jeweils für ein chemisches Element charakteristische Bindungsenergien, wodurch die chemische Analyse einer Probe möglich wird. Ferner hängen geringe Verschiebungen der Bindungsenergien auch vom Bindungspartner eines Elements ab ('chemical shift'), sodass dadurch der Bindungszustand eines Elements bestimmt werden kann.
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| Die XPS- und XPD-Messungen werden an der Strahllinie beamline 11 der Dortmunder Elektronenspeicherringanlage DELTA, am Zentrum für Synchrotronstrahlung durchgeführt. | |
Die Strahllinie 11 leitet die Synchrotronstrahlung vom erzeugenden Element des Undulators 55 über einen PGM-Monochromator zur Ultrahochvakuum-Experimentierkammer. Diese Kammer, mit einem Basisdruck von p < 1e-10mbar, ist zusätzlich mit einer Röntgenröhre (Mg- und Al-Anode) und einer Heliumresonanzlampe ausgestattet, sowie einem Elektronen-Spektrometer und einem 4-Gitter LEED-/AES-System. Die Probe lässt sich innerhalb der UHV-Kammer mittels eines 5-Achsen Manipulators transferieren und rotieren.
Photoelectron spectroscopy with X-rays (x-ray photoelectron spectroscopy, or XPS for short) enables the investigation of the chemical and electronic structure of samples, with special sensitivity for their surfaces and interfaces. The method is based on the photoelectric effect discovered by H. Hertz and W. Hallwachs in 1887. An incident photon is absorbed by an electron bound in a solid and emitted as a so-called photoelectron. In photoemission, the excitation photon energy hv must be greater than the element- and orbital-specific binding energy Ebin and the material-specific work function Phi in order to release a photoelectron with a kinetic energy Ekin from the solid. The quantitative description of this process is provided by the photoelectric equation established by Einstein in 1905:
By detecting the photoelectrons and analyzing their energy, information about the chemical composition of a sample as well as the electronic structure of the atoms can be obtained. The inelastic mean free path (IMFP) indicates the mean distance lambda an electron with the kinetic energy Ekin can travel in a solid before it is completely absorbed. The course of this curve as a function of the kinetic energy is approximately independent of the material and is typically 5-50 Å. It is a measure for the depth of information of a sample to be examined, which is the reason for the high surface sensitivity of photoelectron spectroscopy. On this basis, depending on the photon energy, different areas of photoelectron spectroscopy can be defined, such as UPS (ultraviolet photoelectron spectroscopy), XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) or HAXPES (hard x-ray photoelectron spectroscopy). Besides IMFP, the origins of the photoelectrons also play a role. For example, while a sample is irradiated with ultraviolet light (hv < 50 eV), the structure and state densities of the valence bands can be determined (UPS). The use of X-rays (hv > 100 eV) can provide information about the levels close to the nucleus (XPS). These so-called core-levels each have binding energies characteristic of a chemical element, which makes the chemical analysis of a sample possible. Furthermore, small shifts of the binding energies also depend on the binding partner of an element ('chemical shift'), so that the binding state of an element can be determined.
The XPS and XPD measurements are performed at the beamline beamline 11 of the Dortmund electron storage ring facility DELTA, at the Center for Synchrotron Radiation.
Beamline 11 directs the synchrotron radiation from the generating element of undulator 55 via a PGM monochromator to the ultra-high vacuum experiment chamber. This chamber, with a basic pressure of p < 1e-10mbar, is additionally equipped with an X-ray tube (Mg- and Al anode) and a helium resonance lamp, as well as an electron spectrometer and a 4-grid LEED/AES system. The sample can be transferred and rotated inside the UHV chamber by means of a 5-axis manipulator.