Фотоэлектронная спектроскопия (ФЭС, или PES) – это метод поверхностного анализа, основанный на фотоэффекте, и прямой способ исследования электронной структуры материалов. Основные виды фотоэлектронной спектроскопии включают рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию (XPS), ультрафиолетовую фотоэлектронную спектроскопию (UPS) и фотоэлектронную спектроскопию с угловым разрешением (ARPES).
Сравнение концепций
Конструкция приборов для ФЭС в целом схожа и обычно включает такие основные модули, как полусферический анализатор, источник излучения, столик для образца и вакуумную систему. В зависимости от источника излучения методы делятся на XPS и UPS.
-
XPS использует для возбуждения рентгеновское излучение, например, характеристические линии Al Kα (1486.6 эВ) или Mg Kα (1253.6 эВ) из рентгеновской трубки.
-
UPS использует для возбуждения ультрафиолетовое излучение, например, линию HeI (21.2 эВ) из гелиевой разрядной лампы.
ARPES – это разновидность UPS, в которой используется ультрафиолетовое излучение и проводится измерение с угловым разрешением.
XPS – это метод, в котором рентгеновское излучение используется для выбивания электронов внутренних оболочек атомов на поверхности образца. Путем точного измерения кинетической энергии и интенсивности вылетающих фотоэлектронов определяется их энергия связи. Это позволяет проводить качественный и полуколичественный анализ поверхности материала (глубина до 10 нм), определяя элементы, их валентное состояние и концентрацию.
UPS использует ультрафиолетовое излучение для возбуждения валентных электронов. Измеряя зависимость кинетической энергии и интенсивности фотоэлектронов, можно изучать структуру валентной зоны, работу выхода и плотность поверхностных состояний материала.
ARPES также использует УФ-излучение для возбуждения валентных электронов, но измеряет двумерное распределение их кинетической энергии в зависимости от угла вылета и интенсивности. Это позволяет напрямую восстанавливать зонную структуру в импульсном пространстве, раскрывая такие свойства, как поверхность Ферми, дисперсию зон, симметрию щели и механизмы электронных взаимодействий.
Сравнение источников возбуждения
-
XPS использует рентгеновские источники (Al Kα 1486.6 эВ, Mg Kα 1253.6 эВ и др.).
-
ARPES использует ультрафиолетовые источники (He I 21.2 эВ, лазеры ~7 эВ, синхротронное излучение 10–200 эВ).
Из-за разницы в энергии фотонов, XPS возбуждает электроны внутренних оболочек (например, орбитали 2p, 3d), что позволяет идентифицировать элемент и его валентное состояние по энергии связи. ARPES, использующий низкоэнергетические фотоны, возбуждает только валентные электроны вблизи уровня Ферми.
Сравнение данных
-
XPS регистрирует одномерные данные (интенсивность в зависимости от энергии связи).
-
ARPES регистрирует двумерные данные (интенсивность в зависимости от энергии связи и угла вылета).
Спектр XPS состоит из непрерывного фона и наборов пиков. Как метод поверхностного анализа, XPS позволяет изучать химический состав поверхности, измеряя распределение энергии фотоэлектронов. Это дает информацию о элементном составе, концентрации и химическом состоянии элементов. Анализируя положение и форму пиков, можно определить элементный состав и химическое состояние образца.
Основой данных ARPES является спектральная функция. Ее анализ позволяет получить информацию не только о зонной структуре, но и о времени жизни электронов (собственной энергии). Как единственный метод, позволяющий напрямую измерять зонную структуру электронов в объеме материала, ARPES играет ключевую роль в физике конденсированного состояния. Анализируя угол вылета и кинетическую энергию фотоэлектронов, ARPES дает доступ к зонной структуре, плотности состояний и спектральной функции. Его данные представляют собой распределение интенсивности фотоэлектронов по энергии и углу.
Сравнение технических требований
XPS: Требования к подготовке образцов для XPS относительно просты; метод применим для анализа различных твердых поверхностей. Порошковые образцы обычно прессуют в таблетку, а измерения проводят в вакууме уровня лучше ~1×10⁻⁹ мбар.
ARPES: ARPES предъявляет более строгие требования к поверхности образца: необходимы высокая чистота и гладкость, а также сверхвысокий вакуум в аналитической камере. Обычно используют монокристаллы, свежую поверхность которых получают путем скалывания или отжига в вакууме. Измерения проводят в вакууме уровня ~1×10⁻¹¹ мбар.
Сравнение применений
XPS: XPS широко применяется для анализа поверхности металлов, неорганических материалов, катализаторов, полимеров, а также для изучения процессов коррозии, трения и смазки. Метод находит применение как в фундаментальных исследованиях, так и в прикладных разработках.
ARPES: ARPES в основном используется для изучения электронных состояний в квантовых материалах, таких как сверхпроводники, топологические изоляторы, топологические полуметаллы и двумерные материалы. Он занимает важнейшее место в фундаментальных исследованиях в области физики конденсированного состояния.
| Параметр | XPS | ARPES |
|---|---|---|
| Принцип | Фотоэффект | Фотоэффект |
| Источник возбуждения | Рентгеновское излучение (Al Kα (1486.6 эВ), Mg Kα (1253.6 эВ), синхротронное излучение) | Ультрафиолетовое излучение (Криптоновая лампа: 21.2 эВ, Лазеры: 6 эВ, 7 эВ, Синхротронное излучение: 10–200 эВ) |
| Образец | Поликристаллы, порошки | Монокристаллы |
| Данные | Энергия и интенсивность | Энергия, угол и интенсивность |
| Ключевые данные | Энергия связи | Поверхность Ферми, зонная структура |
| Применение | Определение элементов, валентного состояния, концентрации | Исследование электронной структуры, электронных взаимодействий |
| Изучаемые материалы | Металлы, неорганические материалы, катализаторы, полимеры | Сверхпроводники, топологические изоляторы, топологические полуметаллы, двумерные материалы |
Наша компания является эксклюзивным и единственным поставщиком оборудования для фотоэлектронной спектроскопии. На основе представленного в статье обзора, мы готовы предложить вам современные спектрометры XPS и ARPES от ведущих мировых производителей.
Получите индивидуальную консультацию и подберите оборудование, идеально соответствующее вашим научным или производственным задачам.
.png)