Was ist ein Photoelektron?
Ein Photoelektron ist ein Elektron, das aufgrund des photoelektrischen Effekts von einer Substanz emittiert wird. Der photoelektrische Effekt tritt auf, wenn ein Material, das normalerweise metallischer Natur ist, genügend Lichtstrahlung absorbiert, so dass Elektronen von seiner Oberfläche emittiert werden. Die Entdeckung des photoelektrischen Effekts erfolgte erstmals 1887 durch den deutschen Physiker Heinrich Hertz und wurde später als Hertz-Effekt bezeichnet. Viele Forscher haben im Laufe der Jahre Zeit damit verbracht, seine Eigenschaften zu definieren, und 1905 veröffentlichte Albert Einstein Erkenntnisse, dass es durch Lichtquanten verursacht wurde, die als Photonen bekannt sind. Einsteins klare und elegante Erklärung, wie Photoelektronen hergestellt wurden, führte dazu, dass er 1921 den Nobelpreis für Physik gewann.
Damit Photoelektronen von einer Oberfläche emittiert werden können, muss die Lichtwellenlänge einen ausreichend niedrigen Wert haben, beispielsweise den von rotem Licht. Die Photoelektronenemission ist auch ein Schlüsselmerkmal, das bei der Beschreibung der quantenmechanischen Prinzipien verwendet wird. Der Prozess beinhaltet, dass ein Quant oder einzelnes Photon von Energie von einem festen Material absorbiert wird, wenn die Energie des Photons größer ist als die Energie des oberen Valenzbands oder der äußersten Elektronenhülle des Materials.
Die Photoelektronenspektroskopie ist ein Prozess, bei dem die kinetische Energie von Photonen, die von einer Oberfläche emittiert werden, analysiert wird, um den Oberflächenbereich eines Probenmaterials zu untersuchen. Es wurden zwei Grundtypen des Prozesses verwendet. Die Röntgenspektroskopie untersucht die Kernniveaus eines Materials unter Verwendung von Photonenenergiebereichen von 200 bis 2.000 Elektronenvolt, und die Ultraviolett-Photoelektronenspektroskopie verwendet Photonenenergieniveaus zwischen 10 bis 45 Elektronenvolt zur Untersuchung der äußeren Elektronen- oder Valenzschalen des Materials. Ab 2011 können mit der neuesten Synchrotronausrüstung, einem magnetischen Zyklotron, das Teilchen elektrostatisch beschleunigt, Energiebereiche zwischen 5 und über 5.000 Elektronenvolt untersucht werden, sodass keine separate Forschungsausrüstung mehr erforderlich ist. Diese Maschinen sind jedoch teuer und komplex, so dass sie auf dem Gebiet nicht weit verbreitet sind.
Ab 2011 wurden Photoelektronenspektrometer mit einem Elektronendetektor entwickelt, der unter freiem Himmel und bei atmosphärischem Druck betrieben werden kann, was auf dem Gebiet neu ist. Es ist in der Lage, die Dicke dünner Filme bis auf 20 Nanometer oder 20 Milliardstel Meter genau zu messen. Die Maschinen sind Desktop-Modelle, die eine UV-Lichtquelle verwenden und in einem Bereich von 3,4 bis 6,2 Elektronenvolt betrieben werden können. Mit ihnen werden sowohl Metalle als auch Halbleiter wie Silizium analysiert.