Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005 - lamp.tugraz.at

Methoden
M32: Röntgen- und Ultraviolett-Photoelektronenspektroskopie
M32: Röntgen- und Ultraviolett-Photoelektronenspektroskopie
(XPS und UPS)
Die Photoelektronenspektroskopie beruht auf
dem photoelektrischen Effekt: durch Absorption
von Photonen (mit Energie hν) werden aus Atomen,
Molekülen oder Festkörpern Elektronen herausgelöst,
deren kinetische Energie bestimmt wird:
Die inelastische mittlere freie Weglänge von
Photoelektronen im Festkörper ist eine Funktion
ihrer kinetischen Energie und liegt zwischen 0,5 und
5 nm. Hieraus resultiert die hohe Oberflächenempfindlichkeit
der Photoelektronenspektroskopie.
E kin = hν – E bind
Die Energie E kin der emittierten Photoelektronen
hängt also von der zugehörigen Bindungsenergie
E bind der betroffenen Elektronenschale ab und ist
daher für jedes Element charakteristisch (Abb. 1,
2a). Je nach Anregungsquelle unterscheidet man
zwischen XPS (X-Ray Photoelectron Spectroscopy,
Anregung mit Röntgenstrahlung, hν > 100 eV)
und UPS (Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy,
Anregung mit UV Strahlung, hν < 100 eV). Ein hemisphärischer
Elektronenenergieanalysator misst
die kinetische Energie der emittierten Elektronen
(Abb. 2b) und erzeugt somit ein Energiespektrum
dieser Elektronen (Abb. 1). Eine genaue Analyse dieses
Energiespektrums ermöglicht Aussagen über
die atomare Konzentration der an der Oberfläche
vorliegenden Elemente. Man bezeichnet dieses
Verfahren auch oft mit dem Kürzel ESCA („Electron
Spectroscopy for Chemical Analysis“).
Ferner hängen die Bindungsenergien auch vom
Bindungspartner eines Elements ab („chemische
Verschiebung“), so dass durch die energetische
Verschiebung häufig der Bindungszustand eines
Elements bestimmt werden kann.
Abbildung 1:
Energiediagramm des XPS/UPS-Prozesses;
links unten: Energieniveau-Diagramm;
rechts oben: entsprechendes
Photoemissionsspektrum.
84
Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005