XPS/UPS

Erste Beobachtungen zur Photoemission wurden bereits 1888 von P.Hallwachs gemacht. In seinen Versuchen bestrahlte er eine mit Quecksilber eingeriebene Zinkplatte mit ultraviolettem Licht und stellte dabei eine positive Aufladung der Probenoberfläche fest. Brachte er negative Ladungen vor der Beleuchtung auf die Platte auf, so entlud sie sich, positive Ladungen blieben erhalten. Elektromagnetische Strahlung in Form von Licht, kann also aus einem Festkörper Elektronen freisetzen. 1899 beobachtete P. Lennard, dass die Energie der emittierten Elektronen nur von der Wellenlänge der absorbierten Photonen abhängt und nicht von deren Anzahl. Diese Gesetzmäßigkeiten wurden 1905 von A. Einstein theoretisch erklärt. Er postulierte, daß sich die kinetische Energie der photoemittierte Elektronen aus der Differenz zwischen der Energie der absorbierten Photonen h*ν und der Ablösearbeit W für den Freisetzungsprozeß der Elektronen aus dem Festkörper in das Vakuum ergibt.

Ekin = h*ν - W

Mit einer Energieskala, bezogen auf das Vakuumniveau EVakuum, entspricht die Ablösearbeit W der Bindungsenergie EBindung der Elektronen. Trägt man die Anzahl der Elektronen gleicher kinetischer Energie gegen die kinetische Energie selbst auf, so erhält man die Zustandsdichte (density of states, DOS) der Probe für die besetzten Zustände mit den Bindungsenergien zwischen h*ν und 0 eV. Damit ist die Zustandsdichte ein Maß dafür, wieviele Elektronen gleichzeitig die selbe Bindungsenergie aufweisen können. Dies ist in der Abbildung 1 verdeutlicht.


Anregungsquellen
Als Anregungsenergien stehen verschiedene Lichtquellen zur Verfügung. Sie lassen sich in drei Kategorien unterteilen.

a) Gasentladungslampen: Gasentladungslampen dienen zur Anregung von Elektron-Photon-Wechselwirkungen in besonders niedrig gebundenen Energiebereichen. Edelgasatome werden durch Stöße mit Elektronen angeregt oder ionisiert. Auch Mehrfachionisation ist möglich. Die angeregten Atome gehen dann unter Aussendung von Photonen in energieärmere Zustände über. Gasentladungslampen liefern für verschiedene Gase und Brenndrücke charakteristische, diskrete Spektren (Tabelle 1).

Tabelle 1: Resonanz- und Satellitenlinien verschiedener Edelgase
LinieHeIHeIINeINeIIArIArII
Energie [eV]21.2140.82
48.38
16.85
16.67
26.9
27.8
30.5
11.83
11.62
13.84
13.3
Linienbreite [meV]2-54-2011.3--


b) Röntgenquellen: Um tieferliegende Rumpfniveaus zu erreichen, sind höhere Anregungsenergien, als sie Gasentladungslampen zur Verfügung stellen können, nötig. In Röntgenquellen treffen Elektronen von einigen keV kinetischer Energie auf eine wassergekühlte Anode. Die emittierte Strahlung ist dann eine charakteristische Strahlung des Anodenmaterials mit einem Bremsstrahlungsuntergrund. Typische Anodenmaterialien sind Aluminium und Magnesium. Der Energieabstand der hier verwendeten Al Kα1-Al Kα2-Strahlung beträgt genau 0.7 eV. Ist die Strahlung wie im vorliegenden Fall unmonochromatisiert, so treten auch wieder Satellitenstrukturen in den Spektren auf.

Tabelle 2: Resonanz- und Satellitenlinien der Aluminium-Strahlung
Bezeichnung der Al-LinieKα1,2Kα3Kα4Kα5Kα6Kβ
Abweichung von der Hauptlinie [eV]09.811.820.123.469.7
relative Intesität1006.43.20.40.30.55

c) Synchrotronstrahlung: Diese wird von beschleunigten Elektronen oder Protonen ausgesandt.


Das UHV-SystemUHV-System: Kammer mit hemispärischem Analysator der Firma Omicron (Abb. 2) und eine Kammer mit winkelauflösendem Analysator (ADES) der Firma Vacuum Generators des HMI-Berlin. Die Kammern gestatten eine Präparation der Proben in einer Präparationskammer (p=1·10-10 mbar) mit anschließender Untersuchung in der Analysenkammer (p=1·10-11 mbar). Der Probentransfer erfolgt im Vakuum mit Magnetmanipulatoren.


Beispiele:
Polarons in oxidic semiconductors - the SrTiO3 case

Determination of the Vacuum Level in NEXAFS-spectra by Selected-Yield-NEXAFS

Tinplate: a XPS study
XPS spectra exhibit high surface sensitivity and can give very useful information regarding the qualitative and semi-quantitative composition of the out most layer. In all cases where a passivation treatment has been applied there is a clear second peak of the Sn 3 s doublet. The doublet with binding energies - 491,9 and -483,4 eV is corresponding to metallic Sn wheras the doublet - 493,4 and -484,9 eV is corresponding to SnO2. In the literature, the existence of metallic Sn had been always attributed to the substrate, taking into account that the thickness of a typical chromate passivation layer is in the area of 2 nm and the escape depth of the photoelectronics can be in the ar ea of 5nm. In the case of the B-C30 treatment a quite interesting behavior can be observed.

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