Spectroscopie de photoémission - Photoemission spectroscopy

Principe de la spectroscopie de photoémission à résolution angulaire .

La spectroscopie de photoémission ( PES ), également connue sous le nom de spectroscopie photoélectronique , fait référence à la mesure de l'énergie des électrons émis par les solides, les gaz ou les liquides par effet photoélectrique , afin de déterminer les énergies de liaison des électrons dans la substance. Le terme fait référence à diverses techniques, selon que l' énergie d' ionisation est fournie par des photons X , XUV ou UV . Indépendamment du faisceau de photons incident, cependant, toute spectroscopie photoélectronique tourne autour du thème général de l'analyse de surface en mesurant les électrons éjectés.

Les types

La spectroscopie photoélectronique aux rayons X (XPS) a été développée par Kai Siegbahn à partir de 1957 et est utilisée pour étudier les niveaux d'énergie des électrons du noyau atomique, principalement dans les solides. Siegbahn a qualifié la technique de «spectroscopie électronique pour analyse chimique» (ESCA), car les niveaux du cœur ont de petits déplacements chimiques en fonction de l'environnement chimique de l'atome qui est ionisé, ce qui permet de déterminer la structure chimique. Siegbahn a reçu le prix Nobel en 1981 pour ce travail. XPS est parfois appelé PESIS (spectroscopie photoélectronique pour les coques internes), tandis que le rayonnement de faible énergie de la lumière UV est appelé PESOS (coques externes) car il ne peut pas exciter les électrons du cœur.

La spectroscopie photoélectronique ultraviolette (UPS) est utilisée pour étudier les niveaux d'énergie de valence et la liaison chimique, en particulier le caractère de liaison des orbitales moléculaires. La méthode a été développée à l'origine pour les molécules en phase gazeuse en 1961 par Feodor I. Vilesov et en 1962 par David W. Turner , et d'autres premiers chercheurs comprenaient David C. Frost, JHD Eland et K. Kimura. Plus tard, Richard Smalley a modifié la technique et a utilisé un laser UV pour exciter l'échantillon, afin de mesurer l'énergie de liaison des électrons dans les amas moléculaires gazeux.

La spectroscopie de photoémission à résolution angulaire (ARPES) est devenue la spectroscopie électronique la plus répandue en physique de la matière condensée après les récents progrès en matière de résolution d'énergie et d'impulsion, et la disponibilité généralisée des sources de lumière synchrotron. La technique est utilisée pour cartographier la structure de bande des solides cristallins, pour étudier la dynamique des quasi-particules dans des matériaux hautement corrélés et pour mesurer la polarisation de spin électronique.

La spectroscopie photoélectronique à deux photons (2PPE) étend la technique aux états électroniques optiquement excités par l'introduction d'un schéma de pompe et de sonde.

La spectroscopie photoélectronique ultraviolette (EUPS) se situe entre XPS et UPS. Il est généralement utilisé pour évaluer la structure de la bande de valence. Comparé au XPS, il offre une meilleure résolution énergétique et, par rapport à l'onduleur, les électrons éjectés sont plus rapides, ce qui réduit la charge d'espace et atténue les effets de l'état final.

Principe physique

La physique derrière la technique PES est une application de l' effet photoélectrique . L'échantillon est exposé à un faisceau de lumière UV ou XUV induisant une ionisation photoélectrique. Les énergies des photoélectrons émis sont caractéristiques de leurs états électroniques d'origine et dépendent également de l'état vibratoire et du niveau de rotation. Pour les solides, les photoélectrons ne peuvent s'échapper qu'à partir d'une profondeur de l'ordre du nanomètre, de sorte que c'est la couche superficielle qui est analysée.

En raison de la fréquence élevée de la lumière et de la charge et de l'énergie substantielles des électrons émis, la photoémission est l'une des techniques les plus sensibles et les plus précises pour mesurer les énergies et les formes des états électroniques et des orbitales moléculaires et atomiques. La photoémission fait également partie des méthodes les plus sensibles de détection de substances à l'état de traces, à condition que l'échantillon soit compatible avec l'ultra-vide et que l'analyte puisse être distingué du bruit de fond.

Les instruments PES (UPS) typiques utilisent des sources de gaz hélium de lumière UV, avec une énergie photonique jusqu'à 52 eV (correspondant à une longueur d'onde de 23,7 nm). Les photoélectrons qui se sont effectivement échappés dans le vide sont collectés, légèrement retardés, résolus en énergie et comptés. Il en résulte un spectre d'intensité électronique en fonction de l'énergie cinétique mesurée. Parce que les valeurs d'énergie de liaison sont plus facilement appliquées et comprises, les valeurs d'énergie cinétique, qui dépendent de la source, sont converties en valeurs d'énergie de liaison, qui sont indépendantes de la source. Ceci est réalisé en appliquant la relation d'Einstein . Le terme de cette équation est l'énergie des quanta de lumière UV qui sont utilisés pour la photoexcitation. Les spectres de photoémission sont également mesurés à l'aide de sources de rayonnement synchrotron accordables .

Les énergies de liaison des électrons mesurés sont caractéristiques de la structure chimique et de la liaison moléculaire du matériau. En ajoutant un monochromateur source et en augmentant la résolution énergétique de l'analyseur d'électrons, les pics apparaissent avec une largeur totale à mi-hauteur (FWHM) inférieure à 5–8 meV.

Voir également

Les références

Lectures complémentaires

Liens externes