Spektroskopia dla (nie) kompletnie zielonych #13 Fotoelektrony UPS XPS AES

Lubicie skakać na trampolinie? W sumie kto nie lubi? Unosimy się i przez chwilę możemy latać. A wiecie co jest lepsze od trampoliny?

Źródło

Oczywiście działo Dora! Ta ślicznotka wystrzeliwuje pociski takie, że musiałbym użyć słów powszechnie uważane za wulgarne, a człowieka byłaby w stanie wynieść na orbitę (prawdopodobnie w formie puzzli).

Co jednak ma to do fotoelektronów? Ano nic, ale pomyślałem sobie, że fajnie byłoby żebyście wiedzieli.

Nie no, dobra, trochę ma. Ostatnio sobie rozmawialiśmy na temat Spektroskopii elektronowej i jak to wszystko działa. No i działa całkiem fajnie, ale to tylko takie bardzo łagodne traktowanie tych elektronów. Światło widzialne to taka trampolina właśnie, elektron sobie idzie na wyższy poziom i po chwili wraca. Metody tutaj opisane jednak robią coś zupełnie innego, one te elektrony wyrzucają całkiem poza oddziaływania atomu, czyli zachowywałby się tak jak człowiek na orbicie niemogący spaść w dół. No ok, to może nie najdokładniejsze porównanie, ale czujecie podświadomie, że mamy tutaj do czynienia z większymi energiami które powodują niejako trwałe zmiany.

Ok, ale o co w tym chodzi?

Na początek musimy sobie wyjaśnić czym jest efekt fotoelektryczny. Jest to wybicie elektronu z powierzchni ciała (zewnętrzny) lub spowodowanie przeniesienia ładunku między pasmami energetycznymi - ma to miejsce np. w półprzewodnikach (wewnętrzny). Dokonuje się tego za pomocą fali elektromagnetycznej (np. światła), gdzie intensywność nie ma wpływu na energię kinetyczną elektronów. Ważna jest tylko częstość. Co istotne, to tutaj nie ma mowy o żadnym dopasowaniu do przerwy. Energia ta jest duża, przekracza granicę jonizacji i dlatego możliwe jest wybicie. Stosuje się to np. w elektronice do budowy fotokomórek

Energia jednak energii nie równa i tak istnieje wiele rodzajów spektroskopii polegających na wybijaniu elektronów z nich powłok. Ogólnie równanie tego zdarzenia ma postać: hv = IP + Eosc + Erot + Ek.

I teraz po kolei. hv, to wiadomo (jak nie wiesz to natychmiast zacznij lekturę pierwszych części), IP jest to potencjał jonizacji dla wybijanego poziomu - po Polsku mówiąc, jest to w przybliżeniu energia poziomu na którym znajduje się elektron, musi on jakby zapłacić haracz za opuszczenie go. Oprócz tego wybicie powoduje też zmianę poziomów oscylacyjnych i rotacyjnych jonu stąd Eosc i Erot. Energia też zwana jest energią odrzutu. Na sam koniec, elektron uzyskuje pewną energię kinetyczną.

W Spektroskopii tej naświetlamy próbkę promieniowaniem skutkujące jonizacją, następnie określamy energie kinetyczną elektronu i znając pracę wyjścia (stała materiałowa) otrzymujemy widmo w funkcji energii wiązania. Dane te są przydatne do np. określania związków, ale tez do badań powierzchni.

Dodatkowo jest to metoda dzięki której możemy uzyskać informację na temat wszystkich powłok elektronowych i była to pierwsza eksperymentalna metoda wyznaczania energii jonizacji dla elektronów na wszystkich orbitalach - przyznacie, że całkiem nieźle.

Dobra, ale miało być o metodach, bo one są w sumie bardzo ważne, pod tym względem abyście wiedzieli jakie są w nich różnice i jak działają.

Zasadniczo wyróżniamy trzy

• UPS
• XPS
• AES

Teraz sobie je po kolei omówimy.

Na pierwszy rzut idzie UPS czyli spektroskopia fotoelektronów w zakresie nadfioletu - Najmniej energetyczny rodzaj, tutaj czynnikiem sprawczym jest światło UV. Jest ono nisko energetyczne więc wybijane będą elektrony z orbitali walencyjnych. Często bada się tą metodą powierzchnie i związki organiczne.

XPS jest to Spektroskopia fotoelektronów rentgenowskich. Jest ona w zakresie miękkiego (nie chcesz spotkać twardego, uwierz mi ;) ) promieniowania X. Ma ono już większą energię niż promieniowanie nadfioletowe. Wybijane są tutaj elektrony z niskich powłok, jak K czy L. Jak widać na obrazku, piki dla tych powłok są wyraźne, a dla dalszych praktycznie minimalne. Podobnie jak w UPS, metoda ta jest przydatna do badania powierzchni.

XPS jest szeroko wykorzystywane z kilku powodów:

• Możliwość badania przewodników i dielektryków
• Brak inwazyjności
• Możliwość znalezienia wszystkich pierwiastków oprócz H i He
• Próbka może być stała, gazowa lub ciekła
• Możliwość analizy ilościowej i składu chemicznego

Spektroskop taki składa się przede wszystkim z:

• analizatora
• działa jonowego
• działa nisko energetycznych elektronów (wysoka próżnia)

Ostatnią metodą jest AES. Wspominam o niej bardziej w rodzaju ciekawostki, bo rzadko kiedy omawia się ją na wykładach. Metoda ta opiera się na efekcie Augera. W skrócie: Jeden z elektronów w atomie jest wybijany, następnie atom nad nim, spada na niższą powłokę uwalniając energię. W ten sposób emituje foton, który to trafia na wyższą powłokę, powodując wybicie elektronu poza atom.

Ogólnie w tym temacie warto pamiętać też o tym, że o ile energia kinetyczna elektronów jest niezależna od intensywności światła, tak ich ilość już tak, i to bardzo. Efekt fotoelektryczny będzie słabo zachodził w ciemnych pomieszczeniach, a dobrze na słońcu. Warto też pamiętać, że bardzo istotna jest grubość próbki którą możemy badać, powyżej pewnych wartości, efekty te słabną, stąd najczęściej wykorzystuje się te metody do powierzchni.

I to by było na tyle. Fotoelektrony są dosyć ciekawe, i pewnie trochę nad nimi posiedzimy przy okazji inne serii która powstanie w bliżej nie określonym czasie (nie wcześniej niż przed ukończeniem tej).

Źródła: Podstawy spektroskopii molekularnej Z. Kęcki PWN Wydanie 3
https://pl.wikipedia.org/wiki/Spektroskopia_fotoelektron%C3%B3w_w_zakresie_promieniowania_nadfioletowego
https://pl.wikipedia.org/wiki/Spektroskopia_fotoelektron%C3%B3w_w_zakresie_promieniowania_X
https://pl.wikipedia.org/wiki/Spektroskopia_elektron%C3%B3w_Augera

Grafiki jak zwykle, jeśli nie podpisane to na publicznej.