Ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия - Ultraviolet photoelectron spectroscopy

Ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия (UPS) относится к измерению кинетической энергии спектры из фотоэлектроны испускается молекулами, которые поглотили ультрафиолетовый фотонов, чтобы определить молекулярная орбиталь энергии в валентной области.

Основная теория

Если Альберт Эйнштейн фотоэлектрический закон применяется к свободной молекуле, кинетическая энергия ( ${ displaystyle E_ {K}}$ ) испускаемого фотоэлектрона определяется выражением

{ Displaystyle E_ {K} = ч ню-I ,}

,

куда час является Постоянная Планка, ν - частота ионизирующего света, I - энергия ионизации для образования однозарядного иона либо в основное состояние или возбужденное состояние. В соответствии с Теорема Купманса, каждая такая энергия ионизации может быть отождествлена с энергией занятой молекулярной орбитали. Ион в основном состоянии образуется удалением электрона из самая высокая занятая молекулярная орбиталь, а возбужденные ионы образуются за счет удаления электрона с нижней занятой орбитали.

История

До 1960 г. практически все измерения кинетической энергии фотоэлектронов проводились для электронов, испускаемых из металлов и других твердых поверхностей. Около 1956 г. Кай Зигбан развитый Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS) для химического анализа поверхности. В этом методе используются источники рентгеновского излучения для изучения энергетических уровней атомной энергии. основные электроны, и в то время имело энергетическое разрешение около 1 эВ (электронвольт ).^[1]

Ультрафиолетовый метод (UPS) был впервые изобретен Федор Иванович Вилесов, физик Санкт-Петербургского (Ленинградского) государственного университета в России (СССР) в 1961 году для исследования фотоэлектронных спектров свободных молекул в газовой фазе.^[2]^[3] В первых экспериментах для измерения энергии фотоэлектронов использовалось монохроматизированное излучение водородного разряда и анализатор тормозящего потенциала. Дэвид В. Тернер, физико-химик в Имперский колледж в Лондоне, а затем в Оксфордский университет, в серии публикаций с 1962 по 1967 гг.^[4]^[5] В качестве источника фотонов он использовал гелий газоразрядная лампа, излучающая длину волны 58,4 нм (соответствует энергии 21,2 эВ) в вакуумной ультрафиолетовой области. С этим источником группа Тернера получила разрешение по энергии 0,02 эВ. Тернер называл этот метод «молекулярной фотоэлектронной спектроскопией», теперь обычно «ультрафиолетовой фотоэлектронной спектроскопией» или UPS. По сравнению с XPS, ИБП ограничен уровнем энергии валентные электроны, но измеряет их более точно. После 1967 года стали доступны коммерческие ИБП-спектрометры.^[6]

Заявление

ИБП измеряет экспериментальные молекулярная орбиталь энергии для сравнения с теоретическими значениями из квантовая химия, который также получил широкое развитие в 1960-е годы. Фотоэлектронный спектр молекулы содержит серию пиков, каждый из которых соответствует одному уровню молекулярной орбитальной энергии валентной области. Кроме того, высокое разрешение позволило наблюдать тонкую структуру за счет колебательные уровни молекулярного иона, что облегчает отнесение пиков к связывающим, несвязывающим или антисвязывающим молекулярным орбиталям.

Позже этот метод был распространен на изучение твердых поверхностей, где его обычно описывают как фотоэмиссионная спектроскопия (PES). Он особенно чувствителен к поверхностной области (до глубины 10 нм) из-за малого радиуса действия испускаемых фотоэлектронов (по сравнению с рентгеновскими лучами). Поэтому он используется для изучения адсорбированный виды и их привязка к поверхности, а также их ориентация на поверхности.^[7]

Полезным результатом определения характеристик твердых тел с помощью ИБП является определение рабочая функция материала. Пример этого определения дан Park et al.^[8] Вкратце, полная ширина фотоэлектронного спектра (от точки наивысшей кинетической энергии / наименьшей энергии связи до точки отсечки низкой кинетической энергии) измеряется и вычитается из энергии фотонов возбуждающего излучения, а разница составляет работу выхода. Часто образец электрически смещен отрицательно, чтобы отделить низкоэнергетическую отсечку от отклика спектрометра.

Линии отвода газа

Газ	Эмиссионная линия	Энергия (эВ)	Длина волны (нм)	Относительная интенсивность (%)
ЧАС	Лайман α	10.20	121.57	100
	Лайман β	12.09	102.57	10
Он	1 α	21.22	58.43	100
	1 β	23.09	53.70	около 1,5
	1 γ	23.74	52.22	0.5
	2 α	40.81	30.38	100
	2 β	48.37	25.63	<10
	2 γ	51.02	24.30	незначительный
Ne	1 α	16.67	74.37	15
	1 α	16.85	73.62	100
	1 β	19.69	62.97	< 1
	1 β	19.78	62.68	< 1
	2 α	26.81	46.24	100
	2 α	26.91	46.07	100
	2 β	27.69	44.79	20
	2 β	27.76	44.66	20
	2 β	27.78	44.63	20
	2 β	27.86	44.51	20
	2 γ	30.45	40.71	20
	2 γ	30.55	40.58	20
Ar	1	11.62	106.70	100
	1	11.83	104.80	50
	2	13.30	93.22	30
	2	13.48	91.84	15

Outlook

ИБП переживает значительное возрождение с увеличением доступности источники синхротронного света которые обеспечивают широкий диапазон энергий монохроматических фотонов.

Смотрите также

Фотоэмиссионная спектроскопия с угловым разрешением ARPES
Фотоэлектронная спектроскопия фотоионных совпадений ПЕПИКО
Решенный во времени двухфотонная фотоэлектронная спектроскопия