Wat is een foto-elektron?
Een foto-elektron is een elektron dat door een stof wordt uitgezonden vanwege het foto-elektrische effect. Het foto-elektrisch effect treedt op wanneer een materiaal dat gewoonlijk van metaal is, voldoende lichtstraling absorbeert zodat dit resulteert in de emissie van elektronen vanaf het oppervlak. De ontdekking van het foto-elektrisch effect werd voor het eerst gedaan in 1887 door Heinrich Hertz, een Duitse natuurkundige, en werd vervolgens het Hertz-effect genoemd. Veel onderzoekers brachten de tijd door met het definiëren van de eigenschappen door de jaren heen, en in 1905 publiceerde Albert Einstein bevindingen dat het werd veroorzaakt door lichtkwantum die bekend staat als fotonen. Einsteins duidelijke en elegante uitleg over hoe foto-elektronen werden geproduceerd, resulteerde in het winnen van de Nobelprijs voor natuurkunde in 1921.
Om foto-elektronen uit een oppervlak te kunnen emitteren, moet de lichtgolflengte van een voldoende lage waarde zijn, zoals die van rood licht. Foto-elektronenemissie is ook een belangrijk kenmerk dat wordt gebruikt bij het beschrijven van kwantummechanica-principes. Het proces omvat een kwanta, of een enkel foton van energie dat wordt geabsorbeerd door een vast materiaal als de energie van het foton groter is dan de energie van de bovenste valentieband, of de buitenste elektronenmantel van het materiaal.
Foto-elektronspectroscopie is een proces waarbij de kinetische energie van door een oppervlak uitgezonden fotonen wordt geanalyseerd om het oppervlaktegebied van een monstermateriaal te bestuderen. Twee basistypen van het proces zijn gebruikt. Röntgenspectroscopie bestudeert kernniveaus van een materiaal met behulp van fotonenenergiebereiken van 200 tot 2.000 elektronenvolt, en ultraviolette foto-elektronspectroscopie gebruikt fotonenergieniveaus tussen 10 en 45 elektronenvolt voor het bestuderen van de buitenste elektronen of valentieschalen van het materiaal. Met ingang van 2011 maakt de nieuwste synchrotron-apparatuur, een magnetische cyclotron die deeltjes elektrostatisch versnelt, de studie van energiebereiken tussen 5 tot meer dan 5000 elektronenvolt mogelijk, zodat afzonderlijke onderzoeksapparatuur niet langer nodig is. Deze machines zijn echter duur en complex, dus ze worden niet veel gebruikt in het veld.
Vanaf 2011 is foto-elektronenspectrometerapparatuur ontwikkeld met een elektronendetector die kan werken in de open lucht en bij atmosferische druk, wat nieuw is in het veld. Het is in staat om de dikte van dunne films te meten tot niveaus zo fijn als 20 nanometer, of 20 miljardste van een meter. De machines zijn desktopmodellen die een ultraviolette lichtbron gebruiken en kunnen werken in een bereik van 3,4 tot 6,2 elektronenvolt. Ze worden gebruikt om zowel metalen als halfgeleiders zoals silicium te analyseren.