Ultraibolya fotoelektron-spektroszkópia
Az ultraibolya fotoelektron-spektroszkópia (UPS) a molekulákból az elnyelt ultraibolya fotonok által kilökött elektronok mozgási energiájának spektrumát vizsgálja, a molekulapályák energiaszintjeinek meghatározása céljából.
Elmélete
szerkesztésHa Einstein fotoelektromos törvényét szabad molekulára alkalmazzuk, akkor a kibocsátott fotoelektron ( ) kinetikus energiája:
- ,
ahol h a Planck-állandó, ν az ionizáló fény frekvenciája, I pedig az – akár alap-, akár gerjesztett állapotú – egyszeresen töltött ion létrejöttéhez szükséges ionizációs energia. A Koopmans-tétel szerint minden egyes ilyen ionizációs energia megfeleltethető egy betöltött molekulapálya energiaszintjének. Az alapállapotú ion egy elektronnak a legmagasabb energiájú molekulapályáról történő eltávolításával keletkezik, a gerjesztett ionok az elektronnak alacsonyabb energiájú pályákról való eltávolításával jönnek létre.
Eredete
szerkesztés1960 előtt a fotoelektronok mozgási energiájának mérését gyakorlatilag csak fémekből és más szilárd felületekből kilépő elektronokon végezték. 1956 körül Kai Siegbahn a felületek kémiai elemzéséhez kifejlesztette a röntgen fotoelektron-spektroszkópiát (XPS). Ez a módszer röntgensugárforrást használ az atomtörzsbeli elektronok energiaszintjeinek vizsgálatához. A módszer energiafelbontása kezdetben körülbelül 1 eV (elektronvolt) volt.[1]
Az ultraibolya módszert (UPS) Fjodor I. Vilesov, a Szentpétervári (akkor Leningrádi) Állami Egyetem fizikusa dolgozta ki 1961-ben, hogy gázfázisban tanulmányozza a szabad molekulák fotoelektron spektrumát.[2][3] A kezdeti kísérletekben hidrogénkisülés monokromatikus sugárzását használta, a fotoelektronok energiáját pedig egy fékezőteres potenciál analizátor mérte. A PES-t David W. Turner, a londoni Imperial College, majd az Oxfordi Egyetem fiziko-kémikusa fejlesztette tovább, eredményeit 1962 és 1967 között egy sor publikációban közölte.[4][5] A fotonok forrásaként hélium kisülési lámpát használt, amely 58,4 nm hullámhosszúságú (ez 21,2 eV energiának felel meg) vákuum-ultraibolya sugárzást bocsát ki. Ezzel a sugárforrással Turner csoportja 0,02 eV energiafelbontást ért el. Turner az eljárást „molekuláris fotoelektron-spektroszkópiának” hívta, ma elterjedt elnevezése az „ultraibolya fotoelektron-spektroszkópia” vagy UPS. Az XPS-sel szemben az UPS a vegyértékelektronok energiájára korlátozódik, de ezeket pontosabban méri. 1967 után a kereskedelmi forgalomban is megjelentek az UPS spektrométerek.[6]
Felhasználása
szerkesztésA módszer a molekulapályák energiáinak kísérletileg mért nagyságát adja meg, melyeket össze lehet vetni – az 1960-as években nagy fejlődésen átment – kvantumkémiai számítások elméleti értékeivel. A molekulák fotoelektron-spektrumában több csúcs található, ezek mindegyike megfelel egy, a kötés környezetében lévő molekulapálya energiaszintjének. Nagy felbontása révén a molekulaion rezgési finomszerkezete is megfigyelhető, ami elősegíti a csúcsok kötő, nemkötő és lazító molekulapályákhoz való rendelését.
A módszert később kiterjesztették szilárd felületek vizsgálatára is, ezt általában fotoemissziós spektroszkópiának (PES) nevezik. A kibocsátott fotoelektronok rövid hatótávolsága miatt (a röntgensugarakkal szemben) ez a módszer különösen érzékeny a felületi régióra (10 nm mélységig), ezért az adszorbeált részecskék és azok felülethez kötődésének, valamint felületi orientációjuk vizsgálatára használják.[7]
A szilárd anyagok UPS-sel történő vizsgálatából nyert hasznos információ az adott anyag kilépési munkája. Ennek meghatározására Park és munkatársai mutatnak példát.[8] Röviden összegezve megmérik a fotoelektron spektrum teljes szélességét (a legnagyobb mozgási energia/legkisebb kötési energia pontjától a kis mozgási energia levágásáig), ezt levonják a gerjesztő sugárzás fotonenergiájából, és a különbség adja meg a kilépési munkát.
Gázkisülések vonalai
szerkesztésGáz | Emissziós vonal | Energia (eV) | Hullámhossz (nm) | Relatív intenzitás (%) |
---|---|---|---|---|
H | Lyman α | 10,20 | 121,57 | 100 |
Lyman β | 12,09 | 102,57 | 10 | |
He | 1 α | 21,22 | 58,43 | 100 |
1 β | 23,09 | 53,70 | kb. 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 | elhanyagolható | |
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 |
A módszer jövője
szerkesztésAz UPS módszer a szinkrotron fényforrások növekvő számának köszönhetően újraéledőben van, ezek ugyanis széles energiatartományban képesek monokromatikus fotonokat biztosítani.
Jegyzetek
szerkesztés- ↑ Carlson T.A., "Photoelectron and Auger Spectroscopy" (Plenum Press, 1975) ISBN 0-306-33901-3
- ↑ Vilesov, F. I. (1961. október 12.). „Electron Distribution Over Energies In Photoionization Of Aromatic Amines in Gaseous Phase”. Soviet Physics, Doklady 6, 490. o.
- ↑ Price, W. C. (1974. október 12.). „Photoelectron Spectroscopy”. Advances in Atomic and Molecular Physics 10, 131. o. DOI:10.1016/S0065-2199(08)60348-6.
- ↑ Rabalais J.W. "Principles of Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy" (Wiley 1977) ISBN 0-471-70285-4
- ↑ Turner D. W. Molecular Photoelectron Spectroscopy (Wiley, 1970)
- ↑ Baker A.D. and Betteridge D. "Photoelectron Spectroscopy. Chemical and Analytical Aspects." (Pergamon Press 1972) p.ix
- ↑ Peter W. Atkins and Julio de Paula "Physical Chemistry" (Seventh edition, W.H.Freeman, 2002), p.980 ISBN 0-7167-3539-3
- ↑ Y. Park et al., Appl. Phys. Lett 68(19), 2699-2701 (1996) Work function of indium tin oxide transparent conductor measured by photoelectron spectroscopy
Fordítás
szerkesztésEz a szócikk részben vagy egészben az Ultraviolet photoelectron spectroscopy című angol Wikipédia-szócikk ezen változatának fordításán alapul. Az eredeti cikk szerkesztőit annak laptörténete sorolja fel. Ez a jelzés csupán a megfogalmazás eredetét és a szerzői jogokat jelzi, nem szolgál a cikkben szereplő információk forrásmegjelöléseként.