Wat is foto-elektronenspectroscopie?
Foto-elektronspectroscopie is een methode om stoffen te analyseren met behulp van het foto-elektrisch effect. Wanneer een foton een interactie aangaat met een atoom of molecuul, kan het - als het voldoende energie heeft - ervoor zorgen dat een elektron wordt uitgeworpen. Het elektron wordt uitgestoten met een kinetische energie die afhankelijk is van zijn initiële energietoestand en de energie van het binnenkomende foton. De golflengte van het foton bepaalt zijn energie, waarbij kortere golflengtes hogere energieën hebben. Door een stof te bestralen met fotonen met een bekende golflengte, is het mogelijk om informatie over de chemische samenstelling en andere eigenschappen te verkrijgen door de kinetische energieën van de uitgeworpen elektronen te meten.
Wanneer een negatief geladen elektron uit een atoom wordt uitgeworpen, wordt een positief ion gevormd en de hoeveelheid energie die nodig is om een elektron uit te werpen, staat bekend als de ionisatie-energie of bindingsenergie. Elektronen zijn gerangschikt in orbitalen rond de atoomkern, en er is meer energie nodig om die dicht bij de kern los te maken dan die in verder gelegen orbitalen. De ionisatie-energie van een elektron hangt voornamelijk af van de lading op de kern - elk chemisch element heeft een ander aantal protonen in de kern en dus een andere lading - en van de baan van het elektron. Elk element heeft zijn eigen unieke patroon van ionisatie-energieën en bij foto-elektronenspectroscopie is de ionisatie-energie voor elk gedetecteerd elektron eenvoudig de energie van het binnenkomende foton minus de kinetische energie van het uitgestoten elektron. Omdat de eerste waarde bekend is en de tweede kan worden gemeten, kunnen de elementen in een monster worden bepaald op basis van de waargenomen patronen van ionisatie-energieën.
Relatief energetische fotonen zijn nodig om elektronen uit te werpen, wat betekent dat straling naar het hoge energie, korte golflengte-einde van het elektromagnetische spectrum vereist is. Dit heeft geleid tot twee hoofdmethoden: ultraviolette foto-elektronspectroscopie (UPS) en röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS). Ultraviolette straling kan alleen de buitenste valentie-elektronen uit moleculen uitwerpen, maar röntgenstralen kunnen kernelektronen dichtbij de kern uitwerpen vanwege hun hogere energie.
Röntgenfoto-elektronspectroscopie wordt uitgevoerd door een monster met röntgenstralen op een enkele frequentie te bombarderen en de energieën van de uitgezonden elektronen te meten. Het monster moet in een ultrahoge vacuümkamer worden geplaatst om te voorkomen dat fotonen en uitgezonden elektronen worden geabsorbeerd door gassen en om ervoor te zorgen dat er geen geadsorbeerde gassen op het oppervlak van het monster aanwezig zijn. De energie van de uitgezonden elektronen wordt bepaald door hun verspreiding in een elektrisch veld te meten - die met hogere energieën zullen in mindere mate door het veld worden afgebogen. Aangezien de ionisatie-energieën van kernelektronen naar iets hogere waarden worden verplaatst wanneer het betreffende element zich in een geoxideerde toestand bevindt, kan deze methode niet alleen informatie verschaffen over de aanwezige elementen, maar ook over hun oxidatietoestanden. Röntgenfotospectroscopie kan niet worden gebruikt voor vloeistoffen vanwege de vereiste vacuümomstandigheden en wordt normaal gebruikt voor oppervlakte-analyse van vaste monsters.
Ultraviolette foto-elektronenspectroscopie werkt op een vergelijkbare manier, maar met behulp van fotonen in het ultraviolette spectrumbereik. Deze worden meestal geproduceerd door een gasontladingslamp met behulp van een van de edelgassen, zoals helium, om fotonen met een enkele golflengte te verschaffen. UPS werd eerst gebruikt om ionisatie-energieën voor gasvormige moleculen te bepalen, maar wordt nu vaak gebruikt om de elektronische structuur van materialen te onderzoeken.