Elektronová spektroskopie - Electron spectroscopy
Elektronová spektroskopie označuje skupinu tvořenou technikami založenými na analýze energií emitovaných elektronů, jako je fotoelektrony a Augerovy elektrony. Tato skupina zahrnuje Rentgenová fotoelektronová spektroskopie (XPS), který je také známý jako elektronová spektroskopie pro chemickou analýzu (ESCA), Spektroskopie ztráty elektronové energie (ÚŘESY), Ultrafialová fotoelektronová spektroskopie (UPS) a Augerova elektronová spektroskopie (AES). Tyto analytické techniky se používají k identifikaci a stanovení prvků a jejich elektronických struktur z povrchu testovaného vzorku. Vzorky mohou být pevné látky, plyny nebo kapaliny.[1][2]
Chemické informace se získávají pouze z nejvyšších atomových vrstev vzorku (hloubka 10 nm nebo méně), protože energie Augerových elektronů a fotoelektronů jsou poměrně nízké, obvykle 20 - 2 000 eV. Z tohoto důvodu je elektronová spektroskopie technikou pro povrchová chemie analýzy.[1]
Dějiny
Lze předpokládat, že vývoj elektronové spektroskopie začal v roce 1887, kdy německý fyzik Heinrich Rudolf Hertz objevil fotoelektrický efekt ale nedokázal to vysvětlit. V roce 1900 Max Planck (Nobelova cena za fyziku za rok 1918) naznačuje, že energii přenášenou elektromagnetickými vlnami lze uvolňovat pouze v „balíčcích“ energie. V roce 1905 Albert Einstein (1921 Nobelova cena za fyziku) vysvětlil Planckův objev a fotoelektrický efekt. Představil hypotézu, že světelná energie je přenášena v diskrétních kvantovaných paketech (fotonech), každý s energií hν, aby vysvětlil experimentální dobservace. Dva roky po této publikaci, v roce 1907, P. D. Innes zaznamenal první XPS spektrum.[3]
Po mnoha událostech a druhé světové válce Kai Siegbahn (Nobelova cena v roce 1981) se svou výzkumnou skupinou ve švédské Uppsale zaregistroval v roce 1954 první zařízení XPS, které produkuje XPS spektrum s vysokým rozlišením energie. V roce 1967 publikoval Siegbahn komplexní studii o XPS a jeho užitečnosti, kterou nazval elektronovou spektroskopií pro chemickou analýzu (ESCA). Souběžně s prací Siegbahna v roce 1962 David W. Turner v Imperial College London (a později Oxfordská univerzita ) vyvinut ultrafialová fotoelektronová spektroskopie (UPS) pro molekulární druhy pomocí heliové lampy.[3]
Základní teorie
V elektronové spektroskopii, v závislosti na technice, ozáření vzorku vysoce energetickými částicemi, jako jsou rentgenové fotony, elektrony elektronového paprsku nebo fotony ultrafialového záření, způsobí emitování Augerových elektronů a fotoelektronů. Obrázek 1 to ilustruje na základě jediné částice, ve které například přicházející rentgenový foton z určitého energetického rozsahu (E = hν) přenáší svou energii na elektron ve vnitřním obalu atomu. Fotonová absorpce způsobí, že emise elektronů opustí díru v atomové skořápce (viz obrázek 1 (a)). Otvor lze zaplnit dvěma způsoby a vytvořit tak různé charakteristické paprsky, které jsou specifické pro každý prvek. Když elektron v plášti vyšší energetické hladiny zaplní otvor, je emitován fluorescenční foton (obrázek 1 (b)). V případě Augerova jevu elektron ve skořápce vyšší energetické hladiny vyplňuje díru, která způsobuje, že sousední nebo blízký elektron vyzařuje, čímž vytváří Augerův elektron (obrázek 1 (c)).[1]

Jak je patrné z výše uvedeného a obrázku 1, Augerovy elektrony a fotoelektrony se liší svým fyzikálním původem, oba typy elektronů však nesou podobné informace o chemických prvcích v povrchech materiálů. Každý prvek má svou vlastní speciální Augerovu elektronovou nebo fotonovou elektronovou energii, ze které je lze identifikovat. Vazebnou energii fotoelektronu lze vypočítat podle níže uvedeného vzorce.[1]
kde Evazba je vazebná energie fotoelektronu, hν je energie přicházející částice záření, Ekinetický je kinetická energie fotoelektronu měřená zařízením a je pracovní funkce.[1]
Kinetická energie Augerova elektronu se přibližně rovná energetickému rozdílu mezi vazebnými energiemi elektronových skořápek zapojených do Augerova procesu. To lze vypočítat takto:[1]
kde Ekinetický je kinetická energie Augerova elektronu, hν je energie přicházející částice záření a EB je první vazební energie vnějšího pláště a EC je druhá energie vázání vnějšího pláště.[1]
Druhy elektronové spektroskopie
- Rentgenová fotoelektronová spektroskopie
- Augerova elektronová spektroskopie
- Spektroskopie ztráty elektronové energie
- Ultrafialová fotoelektronová spektroskopie
Reference
- ^ A b C d E F G Yang Leng; Charakterizace materiálů: Úvod do mikroskopických a spektroskopických metod (druhé vydání); Vydavatel John Wiley & Sons, Incorporated 2013; p: 191-192, 221-224.
- ^ Daintith, J .; Dictionary of Chemistry (6. vydání); Oxford University Press, 2008; p: 191, 416, 541
- ^ A b J. Theo Kloprogge, Barry J. Wood; Handbook of Mineral Spectroscopy: Volume 1: X-ray Photoelectron Spectra; Elsevier 2020; p. xiii-xiv.