Was ist Photoelektronenspektroskopie?
Die Photoelektronenspektroskopie ist eine Methode zur Analyse von Substanzen unter Ausnutzung des photoelektrischen Effekts. Wenn ein Photon mit einem Atom oder Molekül interagiert, kann es bei ausreichender Energie dazu führen, dass ein Elektron ausgestoßen wird. Das Elektron wird mit einer kinetischen Energie ausgestoßen, die von seinem anfänglichen Energiezustand und der Energie des einfallenden Photons abhängt. Die Wellenlänge des Photons bestimmt seine Energie, wobei kürzere Wellenlängen höhere Energien haben. Durch Bestrahlung einer Substanz mit Photonen bekannter Wellenlänge können Informationen über ihre chemische Zusammensetzung und andere Eigenschaften gewonnen werden, indem die kinetischen Energien der ausgestoßenen Elektronen gemessen werden.
Wenn ein negativ geladenes Elektron aus einem Atom ausgestoßen wird, wird ein positives Ion gebildet, und die zum Ausstoßen eines Elektrons erforderliche Energiemenge ist als Ionisierungsenergie oder Bindungsenergie bekannt. Elektronen sind in Orbitalen um den Atomkern angeordnet, und es wird mehr Energie benötigt, um diejenigen zu entfernen, die sich in der Nähe des Atomkerns befinden, als diejenigen in weiter entfernten Orbitalen. Die Ionisierungsenergie eines Elektrons hängt hauptsächlich von der Ladung des Kerns ab - jedes chemische Element hat eine unterschiedliche Anzahl von Protonen im Kern und daher eine unterschiedliche Ladung - und vom Orbital des Elektrons. Jedes Element hat ein eigenes Muster von Ionisierungsenergien. In der Photoelektronenspektroskopie ist die Ionisierungsenergie für jedes detektierte Elektron einfach die Energie des einfallenden Photons abzüglich der kinetischen Energie des ausgestoßenen Elektrons. Da der erste Wert bekannt ist und der zweite gemessen werden kann, können die in einer Probe vorhandenen Elemente aus den Mustern der beobachteten Ionisierungsenergien bestimmt werden.
Relativ energiereiche Photonen werden benötigt, um Elektronen auszustoßen, was bedeutet, dass Strahlung in Richtung des energiereichen, kurzwelligen Endes des elektromagnetischen Spektrums benötigt wird. Dies hat zu zwei Hauptmethoden geführt: Ultraviolett-Photoelektronenspektroskopie (UPS) und Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS). Ultraviolette Strahlung kann nur die äußersten Valenzelektronen aus Molekülen ausstoßen, Röntgenstrahlen können jedoch aufgrund ihrer höheren Energie kernnahe Kernelektronen ausstoßen.
Röntgenphotoelektronenspektroskopie wird durchgeführt, indem eine Probe mit Röntgenstrahlen einer einzelnen Frequenz beschossen und die Energien der emittierten Elektronen gemessen werden. Die Probe muss in einer Ultrahochvakuumkammer platziert werden, um zu verhindern, dass Photonen und emittierte Elektronen von Gasen absorbiert werden, und um sicherzustellen, dass sich keine adsorbierten Gase auf der Probenoberfläche befinden. Die Energie der emittierten Elektronen wird durch Messung ihrer Verteilung innerhalb eines elektrischen Feldes bestimmt - diejenigen mit höheren Energien werden durch das Feld in geringerem Maße abgelenkt. Da die Ionisierungsenergien der Kernelektronen im oxidierten Zustand des betreffenden Elements auf etwas höhere Werte verschoben werden, kann diese Methode nicht nur Auskunft über die vorhandenen Elemente geben, sondern auch über deren Oxidationszustände. Röntgen-Photospektroskopie kann aufgrund der Vakuumbedingungen nicht für Flüssigkeiten verwendet werden und wird normalerweise für die Oberflächenanalyse fester Proben verwendet.
Die Ultraviolett-Photoelektronenspektroskopie funktioniert auf ähnliche Weise, verwendet jedoch Photonen im ultravioletten Bereich des Spektrums. Diese werden am häufigsten von einer Gasentladungslampe unter Verwendung eines der Edelgase wie Helium erzeugt, um Photonen einer einzelnen Wellenlänge bereitzustellen. UPS wurde zuerst zur Bestimmung der Ionisierungsenergie gasförmiger Moleküle verwendet, wird heute jedoch häufig zur Untersuchung der elektronischen Struktur von Materialien eingesetzt.