miniatura|300x300px|Principi de l'espectroscòpia de fotoemissió resolta per angle. L'espectroscòpia de fotoemissió (PES), també coneguda com a espectroscòpia de fotoelectrons, es refereix a la mesura de l'energia o l'espín dels electrons emesos per sòlids, gasos o líquids per efecte fotoelèctric, per tal de determinar les energies d'enllaç o les propietats magnètiques dels electrons de la substància. El terme fa referència a diverses tècniques, depenent de si l'energia d'ionització és proporcionada per fotons de raigs X, EUV o UV. Independentment del feix de fotons incidents, però, tota l'espectroscòpia de fotoelectrons gira al voltant del tema general de l'anàlisi de superfícies mitjançant la mesura dels electrons expulsats.

Tipus L'espectroscòpia fotoelectrònica de raigs X (XPS) va ser desenvolupada per Kai Siegbahn a partir del 1957 i s'utilitza per estudiar els nivells d'energia dels electrons del nucli atòmic, principalment en sòlids. Siegbahn es va anomenar a la tècnica "espectroscòpia electrònica per a anàlisi química" (ESCA), ja que els nivells del nucli tenen petits desplaçaments químics depenent de l'entorn químic de l'àtom que s'ionitza, cosa que permet determinar l'estructura química. Siegbahn va rebre el Premi Nobel el 1981 per aquest treball. L'XPS de vegades es coneix com a PESIS (espectroscòpia fotoelectrònica per a capes internes), mentre que la radiació de menor energia de la llum UV es coneix com a PESOS (capes externes) perquè no pot excitar els electrons del nucli.

L'espectroscòpia fotoelectrònica ultraviolada (UPS) s'utilitza per estudiar els nivells d'energia de valència i l'enllaç químic, especialment el caràcter d'enllaç dels orbitals moleculars. El mètode va ser desenvolupat originalment per a molècules en fase gasosa el 1961 per Feodor I. Vilesov i el 1962 per David W. Turner, i altres primers treballadors van ser David C. Frost, JHD Eland i K. Kimura. Més tard, Richard Smalley va modificar la tècnica i va utilitzar un làser UV per excitar la mostra, per tal de mesurar l'energia d'enllaç dels electrons en cúmuls moleculars gasosos.

L'espectroscòpia de fotoemissió amb resolució angular (ARPES) s'ha convertit en l'espectroscòpia d'electrons més prevalent en la física de la matèria condensada després dels avenços recents en la resolució d'energia i moment, i la disponibilitat generalitzada de fonts de llum de sincrotró. La tècnica s'utilitza per cartografiar l'estructura de bandes de sòlids cristal·lins, per estudiar la dinàmica de quasipartícules en materials altament correlacionats i per mesurar la polarització de l'espín dels electrons.

L'espectroscòpia de fotoelectrons de dos fotons (2PPE) estén la tècnica a estats electrònics excitats òpticament mitjançant la introducció d'un esquema de bombament i sonda.

L'espectroscòpia fotoelectrònica ultraviolada extrema (EUPS) es troba entre l'XPS i la UPS. Normalment s'utilitza per avaluar l'estructura de la banda de valència. En comparació amb l'XPS, ofereix una millor resolució energètica i, en comparació amb la UPS, els electrons expulsats són més ràpids, cosa que resulta en menys càrrega espacial i mitigació dels efectes de l'estat final.

Principi físic La física que hi ha darrere de la tècnica PES és una aplicació de l'efecte fotoelèctric. La mostra s'exposa a un feix de llum UV o XUV que indueix una ionització fotoelèctrica. Les energies dels fotoelectrons emesos són característiques dels seus estats electrònics originals i depenen també de l'estat vibracional i del nivell de rotació. En el cas dels sòlids, els fotoelectrons només poden escapar des d'una profunditat de l'ordre de nanòmetres, de manera que és la capa superficial la que s'analitza.

A causa de l'alta freqüència de la llum i la càrrega i energia substancials dels electrons emesos, la fotoemissió és una de les tècniques més sensibles i precises per mesurar les energies i les formes dels estats electrònics i dels orbitals moleculars i atòmics. La fotoemissió també es troba entre els mètodes més sensibles per detectar substàncies en concentracions traça, sempre que la mostra sigui compatible amb l'ultra alt buit i l'analit es pugui distingir del fons.

Els instruments PES (UPS) típics utilitzen fonts de gas heli de llum UV, amb energia fotònica de fins a 52 eV (corresponent a la longitud d'ona 23,7 nm). Els fotoelectrons que realment van escapar al buit es recullen, es frenen lleugerament, es resolen amb energia i es compten. Això resulta en un espectre d'intensitat d'electrons en funció de l'energia cinètica mesurada. Com que els valors d'energia d'enllaç s'apliquen i s'entenen més fàcilment, els valors d'energia cinètica, que depenen de la font, es converteixen en valors d'energia d'enllaç, que són independents de la font. Això s'aconsegueix aplicant la relació d'Einstein El/La El terme d'aquesta equació és l'energia dels quanta de llum UV que s'utilitzen per a la fotoexcitació. Els espectres de fotoemissió també es mesuren mitjançant fonts de radiació de sincrotró sintonitzables.

Les energies d'enllaç dels electrons mesurats són característiques de l'estructura química i l'enllaç molecular del material. En afegir un monocromador font i augmentar la resolució energètica de l'analitzador d'electrons, apareixen pics amb una amplada completa a la meitat del màxim (FWHM) inferior a 5–8 meV.

Referències

Categoria:Espectroscòpia Categoria:Òptica