Фотоэлектронная спектроскопия для химического анализа
Метод основан на облучении поверхности объекта рентгеновским или ультрафиолетовым излучением, способным вызвать эмиссию вторичных электронов из внутренних оболочек атомов. В зависимости от длины волны используемого для эмиссии электронов излучения фотоэлектронная спектроскопия подразделяется на два типа:
1. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС), в которой используется рентгеновское излучение с длиной волны в диапазоне от 0,1 до 10 нм. Поэтому в методе РФЭС зондируют глубокие энергетические уровни атома.
2. Ультрафиолетовая электронная спектроскопия (УФЭС), в которой используются фотоны с длиной волны в диапазоне от 25 до 100 нм. Поэтому обычно метод УФЭС применяется для изучения валентной зоны и зоны проводимости полупроводников и диэлектриков.
Физика процесса относительно проста. Если падающий на поверхность объекта фотон имеет энергию hν, достаточную для того, чтобы ионизировать какую-нибудь электронную оболочку атома, то электрон, который имел в твердом теле энергию связи Eсв, выбрасывается в вакуум с кинетической энергией Е к . Если пренебречь очень маленькой энергией отдачи, то из закона сохранения энергии следует, что
Ек = hν – Eсв
Поскольку каждый элемент имеет свой уникальный набор энергий связи, фотоэлектронная спектроскопия может быть использована для анализа элементного состава поверхности твердого тела. Изменения конфигурации валентной зоны и соответствующие изменения степени экранировки ядра атома при изменении его химического состояния отражаются в изменении энергии связи (химический сдвиг), что используется для определения химического состояния атома. Последнее явилось причиной появления альтернативного названия метода – электронная спектроскопия для химического анализа (ЭСХА).
В методе РФЭС излучение обычно получают с помощью рентгеновских трубок с алюминиевыми или магниевыми анодами. Энергия испускаемых ими квантов достаточна для проникновения только в приповерхностную область исследуемого объекта. При этом глубина выхода вторичных электронов не превышает 5 нм. Иногда используют облучение синхротронным излучением, формируемым в специальных накопительных кольцах (синхротронах), где по замкнутым траекториям движутся с большими скоростями электроны. Преимуществом синхротронного излучения является, во-первых, высокая интенсивность, во-вторых, возможность настраиваться на любую длину волны рентгеновского излучения, в-третьих, малая расходимость пучка.
Спектр фотоэлектронов исследуют при помощи электронных спектрометров высокого разрешения (достигнуто разрешение до десятых долей эВ в рентгеновской области и до сотых долей эВ в ультрафиолетовой области). В качестве детекторов сигнала используются устройства, применяемые в электронной Оже-спектроскопии (ЭОС). Вообще данный метод используют как дополнение к методу ЭОС. По сравнению и ЭОС он имеет ряд преимуществ. Во-первых, можно исследовать радиационно нестойкие материалы, так как сечение рассеяния процессов диссоциации рентгеновского излучения меньше, чем электронного. Во-вторых, поверхность исследуемого материала заряжается существенно в меньшей степени.
В-третьих, можно получать информацию о химической связи, поскольку она влияет на характер расположения энергетических оболочек атомов, определяемых с высокой степенью точности (до 0.5 эВ). Недостаток метода заключается в низком плоскостном разрешении из-за большого диаметра рентгеновского пучка (1-2 мм).