X-ray Photoelectron Spectroscopy
Als Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS) wird diejenige Photoelektronenspektroskopie bezeichnet, welche Anregungsenergien größer 100 eV verwendet. Typische Anregungsenergien liegen bei 1486,6 eV (charakteristische Röntgenlinie des Aluminiums, als Al Kα bezeichnet) oder bei 1253,6 eV (Mg Kα Linie).
Durch die hohe Anregungsenergie werden bei XPS hauptsächlich Elektronen aus energetisch tiefer liegenden Schalen herausgelöst, d.h. es werden Elektronen aus Rumpfniveaus beobachtet. Deshalb bezeichnet man XPS häufig auch als "core level spectroscopy" bezeichnet, im Unterschied zu UPS, wo die Anregungsenergien unter 100 eV liegen und dort Elektronen aus dem Valenzband betrachtet werden.
Der gesamten Photoelektronenspektroskopie liegt der von Einstein entdeckte und 1905 beschriebene photoelektrische Effekt zugrunde. Dies bedeutet, dass durch die Einstrahlung von Energie in Form von z.B. Licht Elektronen herausgelöst werden. Weiterhin besitzen diese Elektronen eine definierte kinetische Energie, die mit ihrer Bindungsenergie und der Austrittsarbeit zusammenhängt. Dies wird durch Gleichung 1.1 dargestellt.
Mit einem energiedispersiven Element lassen sich die ausgelösten Elektronen in Abhängigkeit ihrer kinetischen Energie detektieren.
Parallel zu den durch das eingestrahlte Röntgenlicht ausgelösten Photoelektronen findet ein weiterer Prozess statt, der Augerprozess. Bei diesem fallen Elektronen aus einer höher liegenden Schale in das Loch, welches vom Photoelektron hinterlassen wurde. Die überschüssige Energie wird dabei auf ein weiteres Elektron übertragen, welches dann das Atom verlassen kann (siehe Augerelektronen-Spektroskopie).
Da die Bindungsenergie der Photoelektronen abhängig ist von dem Orbital aus dem diese ausgelöst wurden und damit auch elementspezifisch ist, lassen sich mittels XPS chemische Analysen von Oberflächen durchführen. Die Tiefeninformation ist dabei höher als bei UPS (niedrigere Anregungsenergie) oder AES (stärkere Streuverluste im Inneren des Festkörpers) und liegt bei etwa 10 nm.
Eine qualitative und quantitative chemische Analyse einer Oberfläche ist mit XPS möglich, weiterhin lassen sich Aussagen über chemische Bindungen auf der Oberfläche machen. Durch eine Verschiebung der Bindungsenergie der Elektronen eines bestimmten Orbitals (z.B. O 1s) lässt sich feststellen, wie die chemische Umgebung der Elektronen dieses Orbitals aussieht.
Beispielsweise können Sauerstoffatome an Kohlenstoff- oder Wasserstoffatome gebunden sein, wodurch sich je nach Art des entstehenden Moleküls (zB CO2, CO, OH, H2O) die Bindungsenergie spezifisch verschiebt. Dies wird auch als "chemical shift" bezeichnet. Ein Beispiel stellt die Bestimmung der Oxidationsstufen des Eisen dar. Diese äußert sich in einem chemical shift des Fe 2p Orbitals. Dort verschiebt sich z. B. für ein reines Fe2O3 das Signal des Fe 2p 3/2 Orbital um ca. 4 eV zu einer höheren Bindungsenergie. Für ein reines FeO verschiebt sich das Signal nur um ca. 3 eV. Das heißt, die III. Oxidationsstufe und die II. Oxidationsstufe unterscheiden sich um 1 eV.
Für weiterführende Informationen siehe hier.