Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy
Bei der Photoelektronenspektroskopie werden durch Photonen Elektronen aus dem Festkörper ausgelöst. Bei Photonenenergien zwischen 3 und 100 eV spricht man von UPS. Unsere Quelle erzeugt He I Photonen mit einer Energie von 21,2 eV. Die Photonen führen den Elektronen im Valenzband des Festkörpers Energie zu, so daß diese in Zustände über dem Vakuumniveau angeregt werden. Diese angeregten Elektronen mit charakteristischer kinetischer Energie verlassen die Oberfläche und können dann gemessen werden. Die Oberflächenempfindlichkeit hängt von der mittleren freien Weglänge der emittierten Elektronen ab, da die Eindringtiefe der UV-Photonen bis zu 1000 Å beträgt, während Elektronen mit Energien bis 100 eV eine mittlere freie Weglänge von weniger als 15 Å haben. Daraus ergibt sich eine Informationstiefe von 2 bis 3 Atomlagen für UPS. Für die Anzahl der Elektronen, die durch die UV-Photonen angeregt werden, gilt:
Di und Df bezeichnen die lokalen Zustandsdichten im Anfangs- und Endzustand. μ fi bezeichnet das Matrixelement des Dipolübergangs zwischen Anfangs- und Endzustand. Da die Endzustandsdichten meistens viel weniger Struktur haben als die Anfangszustandsdichten, liefern UPS-Spektren hauptsächlich Informationen über die Anfangszustandsdichte.
Abb. 3.1 zeigt eine schematische Darstellung der Energieniveaus bei der Elektronenanregung durch UV-Photonen. Ein durch ein Photon der Energie ħω angeregtes Valenzelektron hat nach dem Austreten aus der Oberfläche eine kinetische Energie von
EB bezeichnet die Bindungsenergie des Elektrons im Festkörper. Das Elektron wird im Spektrometer mit der kinetischen Energie
detektiert. Die Ferminiveaus der Probe EF,Pr und des Spektrometers EF,Sp sind gleich (EF,Pr = EF,Sp = EF), da die Probe und das Spektrometer leitend verbunden sind. Elektronen die direkt vom Ferminiveau emittiert werden (EB = EF), haben die maximale kinetische Energie:
Die Lage des Ferminiveaus der Probe ist somit nur abhängig von der Austrittsarbeit des Spektrometers, die als konstant angenommen werden kann, und der Photonenenergie ħω. Der niederenergetische Einsatz des Spektrums ergibt die minimale kinetische Energie
Für die gesamte Breite des Spektrums erhält man aus (3.5) und (3.6)
Aus der Breite des gemessenen Spektrums und der bekannten Photonenenergie von 21,2 eV läßt sich nach (3.7) die Austrittsarbeit der Probe berechnen. Sie ist durch den niederenergetischen Einsatz der Spektren gegeben, wenn man als Skala die kinetische Energie verwendet und das Ferminiveau auf die Photonenenergie von 21,2 eV legt. Die Spektren sind als Funktion der Bindungsenergie EB aufgetragen, die sich durch Subtraktion der kinetischen Energie von der Photonenenergie von 21,2 eV ergibt.
Somit ist die Austrittsarbeit der Probe 21,2 eV - EBmax.
Für weiterführende Informationen siehe hier.