Spektroskopia Fotoelektronów

1. Spektroskopia Fotoelektronów Katarzyna Górz

2. Plan Prezentacji • Spektroskopia fotoelektronów – wprowadzenie • Ogólny zarys PES • Źródła promieniowania X • Próbka • Analizator • Detektor/powielacz • Schemat spektrometru PES • Widma • Zalety XPS

3. Spektroskopia fotoelektronów - wprowadzenie • Efekt fotoelektryczny • Natężenie promieniowania wpływa tylko na ilość wybijanych elektronów.

4. Spektroskopia fotoelektronów - wprowadzenie • Proces fotojonizacji w PES: • Gdzie: • EB - energia wiązania elektronu w atomie/cząsteczce • Fsp – praca wyjścia materiału • Wykres zależności natężenia strumienia elektronów od ich Ekin (EB) – widmo fotoelektronowe.

5. Spektroskopia fotoelektronów - wprowadzenie • Podstawowym równaniem opisującym efekt fotoelektryczny jest równanie Einsteina: Gdzie: EK – energia kinetyczna wybitego elektronu EB – energia wiązania elektronów na n-tej powłoce • Jeżeli znana jest energia padającego na próbkę promieniowania oraz energia kinetyczna wybijanych elektronów, to w prosty sposób można obliczyć energię wiązania elektronów w atomach próbki.

6. Spektroskopia fotoelektronów - wprowadzenie • Definicja energii wiązania

7. Ogólny zarys PES • Idea eksperymentu fotoelektrycznego jest nadzwyczaj prosta, oświetlamy badany materiał promieniowaniem o znanej energii, następnie wyznaczamy energię kinetyczną fotoelektronu i przy znajomości pracy wyjścia obliczamy jego energię wiązania.

8. Podział PES • PES (ogólne metody fotoemisyjne) dzielimy w zależności od źródła wzbudzeń na : • XPS (wzbudzanie promieniowaniem rentgenowskim) • UPS (wzbudzanie promieniowaniem ultrafioletowym). • W ostatnich dekadach rozwinięto wiele pochodnych techniki PES: • takich jak fotoemisja z kątową zdolnością rozdzielczą (ARPES), • analizą spinu (SPPES, SPARPES), • fotoemisja rezonansowa (RPES).

9. Źródła promieniowania X • Promieniowanie rentgenowskie uzyskuje się w praktyce poprzez wyhamowywanie rozpędzonych elektronów na materiale o dużej liczbie atomowej, efektem czego jest powstanie promieniowania o charakterystyce ciągłej, na którym widoczne są również piki pochodzące od promieniowania charakterystycznego anody.

10. Źródła promieniowania X • Promieniowanie X powstaje także w wyniku: • wychwytu elektronu, • w synchrotronach. Rys. Synchrotron

11. Źródła promieniowania X • Typowe lampy rentgenowskie emitują promieniowanie o słabych parametrach. Szerokość linii jest rzędu 0.8 eV, ponadto w widmie są obecne inne linie takie jak Kα3 (Al 1496.4 eV, Mg 1262 eV) o natężeniu 6.4% oraz 8.0% odpowiednio natężenia linii pierwotnej. Stosując monochromator można zmniejszyć szerokość linii nawet do 0.3 eV, jednakże drastycznie spada natężenie fotonów wzbudzających.

12. Próbka • Metoda PES używana jest głównie do badań ciał stałych, choć stosuje się ją niekiedy dla cieczy lub gazów. Metodę stosować można zarówno na poli- jak i mono-kryształach.

13. Analizator • W użyciu są głównie hemisferyczne analizatory elektrostatyczne, które zapewniają dość dobrą zdolność rozdzielczą rzędu kilkudziesięciu milielektronowoltów i lepszą.

14. Analizator

15. Detektor/powielacz e • W użyciu są następujące powielacze: • dynodowy • channeltron • channelplate

16. Schemat spektrometru XPS • Działo jonowe – pozwala na „ścieranie” kolejnych powłok próbki i analizę głębiej położonych warstw. • Działo niskoenergetycznych elektronów – pozwala skompensować wytwarzający się w trakcie pomiaru dodatki ładunek próbki.

17. Aparatura XPS

18. Aparatura XPS • Główne części spektrometru: • lampa rentgenowska, • komora analityczna, • komora przygotowawcza, • wnętrze komory przygotowawczej z diamentowym pilnikiem do czyszczenia powierzchni, • pompa turbomolekularna, • pompa rotacyjna, • monochromator promieniowania X, • elektrostatyczny analizator hemisferyczny z systemem soczewek.

19. Widmo fotoemisyjne

20. Widma fotoelektronów • Wykres zależności natężenia strumienia elektronów od ich Ekin (EB) – widmo fotoelektronowe.

21. XPS (ESCA) • Wykorzystuje miękkie promieniowanie rentgenowskie o E>100eV, pozwalając na wybicie elektronów z orbitali rdzenia • Metoda zasadniczo nieinwazyjna • Detekcja wszystkich pierwiastków za wyjątkiem H i He oraz możliwość ich ilościowego oznaczenia • Informacja z warstwy o grubości ok. 1-8 nm

22. XPS (ESCA) • Czułość pozwalająca na wykrycie pierwiastków o stężeniu od 0,01% • Możliwość uzyskania tzw. Profili głębokościowych – zależność stężenia określonych atomów w funkcji odległości od powierzchni • Możliwość sporządzenia przestrzennych map rozmieszczenia atomów w próbce z rozdzielczością 10-15 mm

23. Bibliografia • http://www.chemia.uj.edu.pl/~jamroz/wyklad/W1-3_XPS.pdf • http://www.if.uj.edu.pl/ZFCS/magnetyk/aparat/esca.htm • http://www.if.uj.edu.pl/pl/ZINM/wyklady/AB/xpsfizmed.pdf • http://pl.wikipedia.org/wiki/Promieniowanie_rentgenowskie

24. Dziękuje za uwagę