Adsorbat-modifiziertes Wachstum ultradünner Seltenerdoxid ... - E-LIB

2.2 Röntgen-Photoelektronenspektroskopie
Trilagen wie bei den kubischen Kristallstrukturen aus, wie in der Seitenansicht deutlich
zu erkennen ist, denn zwischen den einzelnen Cer-Lagen, die unterschiedliche
Abstände in [0001]-Richtung aufweisen, gibt es im Wechsel eine bzw. zwei Sauerstoff-
Lagen. Im Fall von einer Sauerstoff-Lage befindet sich die Sauerstoff-Lage vertikal
genau mittig zwischen den Cer-Lagen, die einen Abstand von 2,9741 Å in [0001]-
Richtung aufweisen. Bei zwei Sauerstoff-Lagen zwischen den Cer-Lagen, liegt eine
Sauerstoff-Lage bei 0,211 und eine bei 0,789, normiert auf den Cer-Lagen-Abstand,
der in diesem Fall 3,0849 Å beträgt.
2.2 Röntgen-Photoelektronenspektroskopie
In diesem Abschnitt wird die Methode der Röntgen-Photoelektronenspektroskopie
(x-ray photoelectron spectroscopy (XPS)) und auf die Besonderheiten des 3d-Niveaus
von Seltenerdoxiden am Beispiel des Ce3d-XPS-Spektrums eingegangen. Sehr detaillierte
und ausführliche Darstellungen der XPS-Methode finden sich in der Literatur
[69–72], an denen sich die Folgenden Darstellungen orientieren.
XPS ist eine der wichtigsten experimentellen Methoden zur chemischen und elementsensitiven
Analyse von Festkörperoberflächen. Sie beruht auf dem äußeren Photoeffekt
und mit Hilfe von Röntgenstrahlung ist es möglich, im Festkörper gebundene
Elektronen über das Vakuum-Niveau hinaus in unbesetzte Zustände anzuheben.
Somit ist es möglich die besetzte Zustandsdichte in Festkörpern zu spektroskopieren,
wie Abb. 2.6 schematisch vereinfacht veranschaulicht. Die kinetische Energie der
Photoelektronen beträgt bei Verwendung von monochromatischer Röntgenstrahlung
mit der Photonenenergie hν und unter Vernachlässigung von Vielteilchen-Effekten
im Einteilchen-Bild (Koopmans-Theorem):
E kin (e − ) = hν − φ − E B . (2.1)
Dabei bezeichnet Φ die Austrittsarbeit der Elektronen im Festkörper und muss berücksichtigt
werden, da die Bindungsenergie E B im Festkörper auf die Fermi-Energie
E F und nicht auf das Vakuum-Niveau bezogen ist. Die chemische Sensitivität der
Methode beruht auf der element- und bindungsspezifischen energetischen Lage der
Rumpfniveaus.
Bei einer genaueren quantenmechanischen Betrachtung der Photoelektronenspektroskopie
unter Berücksichtigung von Vielteilchen-Effekten geht ein N-Elektronen-
System aus einem Anfangszustand (initial state) durch Absorption eines Photons
der Energie hν und Emission eines Photoelektrons in einen unbesetzten Einteilchen-
Zustand oberhalb des Vakuum-Niveaus in einen Endzustand (final state) eines (N −
1)-Elektronen-Systems über. Durch das entstandene Loch im (N − 1)-Elektronen-
System wird ein zusätzliches positives Potential hervorgerufen, das eine energetische
Relaxation des (N − 1)-Elektronen-Systems bewirkt. Dies hat jedoch aus Gründen
der Energieerhaltung eine Änderung der kinetischen Energie der Photoelektronen
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