Fotoemissiya spektroskopiyasi

Fotoemissiya spektroskopiyasi (PES), shuningdek, fotoelektron spektroskopiyasi deb ham ataladi, moddadagi elektronlarning bogʻlanish energiyasini aniqlash uchun qattiq jismlar, gazlar yoki suyuqliklardan fotoelektrik effekt orqali chiqariladigan elektronlarning energiyasini oʻlchash mumkin. Bu atama ionlanish energiyasi rentgen, XUV yoki UV fotonlari tomonidan taʼminlanishiga qarab turli xil texnikalarni anglatadi.^[1]

Turlari

Rentgen fotoelektron spektroskopiyasi (XPS) 1957 yildan boshlab Kay Siegbahn tomonidan ishlab chiqilgan^[2]^[3] va atom yadro elektronlarining, birinchi navbatda, qattiq jismlardagi energiya darajasini oʻrganish uchun ishlatiladi. Siegbahn ushbu texnikani „kimyoviy tahlil uchun elektron spektroskopiya“ (ESCA) deb nomlangan, chunki yadro sathlari ionlangan atomning kimyoviy muhitiga qarab kichik kimyoviy siljishlarga ega boʻlib, kimyoviy strukturani aniqlashga imkon beradi. Sigbahn 1981 yilda ushbu ishi uchun Nobel mukofotiga sazovor boʻlgan. XPS baʼzan PESIS (ichki qobiqlar uchun fotoelektron spektroskopiya) deb ataladi, ultrabinafsha nurlanishining past energiyali nurlanishi esa PESOS (tashqi qobiqlar) deb ataladi, chunki u yadro elektronlarini qoʻzgʻatolmaydi.^[4]

Ultraviyole fotoelektron spektroskopiya (UPS) valentlik energiya darajasini va kimyoviy bogʻlanishni, ayniqsa molekulyar orbitallarning bogʻlanish xarakterini oʻrganish uchun foydalaniladi. Usul dastlab gaz fazali molekulalar uchun 1961 yilda Feodor I. Vilesov ^[5] va 1962 yilda Devid V. Tyorner ^[6] tomonidan ishlab chiqilgan va boshqa dastlabki ishchilar Devid C. Frost, JHD Eland va K. Kimurani oʻz ichiga olgan. Keyinchalik Richard Smalley texnikani oʻzgartirdi va gazsimon molekulyar klasterlarda elektronlarning bogʻlanish energiyasini oʻlchash uchun namunani qoʻzgʻatish uchun UV lazeridan foydalangan.

Ikki fotonli fotoelektron spektroskopiya (2PPE) nasos va zond sxemasini joriy etish orqali optik qoʻzgʻatilgan elektron holatlarga texnikani kengaytiradi.

Ekstremal ultrabinafsha fotoelektron spektroskopiya (EUPS) XPS va UPS oʻrtasida joylashgan. Odatda valentlik bandi tuzilishini baholash uchun ishlatiladi.^[7] XPS bilan solishtirganda, u yaxshi energiya ruxsatini beradi va UPS bilan solishtirganda, chiqarilgan elektronlar tezroq boʻladi, bu esa kamroq boʻsh joy zaryadiga va yakuniy holat effektlarini yumshatishga olib keladi.^[8]^[9]^[10]

Fotoelektron spektroskopiya (PES) yuzalar va interfeyslarning fizik va kimyoviy xossalari haqida fundamental maʼlumotlarni taqdim etdi.1,2 PES tajribalarining ulkan turlaridan biri yorugʻlik manbai sifatida yuqori tartibli garmonik hosil qilish (HHG) dan foydalanadigan PES laboratoriyada spektroskopiyaga imkon beradi. Keng sozlanishi foton energiyasi, yorugʻlikning oʻzgaruvchan polarizatsiyasi va attosekunddan femtosekundgacha boʻlgan vaqt oʻlchamlari. Shu sababli, HHG asosidagi PES yigirma yildan ortiq vaqt davomida yuzalar va interfeyslardagi dinamik jarayonlarni oʻrganish uchun ishlab chiqilgan.3–5 Ushbu maqolada biz HHG asosidagi PES tajribalarining yuzalar va interfeyslarda umumiy koʻrinishini taqdim etiladi. Burchak bilan aniqlangan fotoemissiya spektroskopiyasi (ARPES) – bu materialdagi, odatda kristalli qattiq jismdagi elektronlarning ruxsat etilgan energiyalari va momentlarini tekshirish uchun kondensatsiyalangan moddalar fizikasida qoʻllaniladigan eksperimental usul. U fotoelektrik effektga asoslangan boʻlib, unda yetarli energiyaga ega boʻlgan kiruvchi foton material yuzasidan elektronni chiqaradi. Chiqarilgan fotoelektronlarning kinetik energiyasi va emissiya burchagi taqsimotini toʻgʻridan-toʻgʻri oʻlchash orqali texnika elektron tarmoqli tuzilishi va Fermi sirtlarini xaritalashi mumkin. ARPES bir yoki ikki oʻlchovli materiallarni oʻrganish uchun eng mos keladi. U fiziklar tomonidan yuqori haroratli oʻta oʻtkazgichlar, grafen, topologik materiallar, kvant quduqlari holati va zaryad zichligi toʻlqinlarini koʻrsatadigan materiallarni tekshirish uchun ishlatilgan.

ARPES tizimlari fotonlarning tor nurini etkazib berish uchun monoxromatik yorugʻlik manbai, material namunasini joylashtirish uchun ishlatiladigan manipulyatorga ulangan namuna ushlagichi va elektron spektrometrdan iborat. Uskuna ultra yuqori vakuum (UHV) muhitida joylashgan boʻlib, u namunani himoya qiladi va chiqarilgan elektronlarning tarqalishini oldini oladi. Kinetik energiya va emissiya burchagi boʻyicha ikkita perpendikulyar yoʻnalish boʻylab tarqalib ketgandan soʻng, elektronlar detektorga yoʻnaltiriladi va ARPES spektrlarini taʼminlash uchun hisoblanadi – bir impuls yoʻnalishi boʻylab tarmoqli strukturasining boʻlaklari. Baʼzi ARPES asboblari spinning polarizatsiyasini oʻlchash uchun detektor yonida elektronlarning bir qismini ajratib olishlari mumkin.

Kristalli qattiq jismlardagi elektronlar faqat maʼlum energiya va momentlarning holatini toʻldirishi mumkin, boshqalari kvant mexanikasi tomonidan taqiqlangan. Ular qattiq jismning tarmoqli tuzilishi deb nomlanuvchi holatlarning uzluksizligini hosil qiladi. Tarmoq strukturasi materialning izolyator, yarimoʻtkazgich yoki metall ekanligini, u elektr tokini qanday oʻtkazishini va qaysi yoʻnalishda eng yaxshi oʻtkazishini yoki magnit maydonda oʻzini qanday tutishini aniqlaydi.

Burchak bilan hal qilingan fotoemissiya spektroskopiyasi tarmoqli tuzilishini aniqlaydi va tarqalish jarayonlarini va elektronlarning materialning boshqa tarkibiy qismlari bilan oʻzaro taʼsirini tushunishga yordam beradi. Buni fotonlar tomonidan chiqarilgan elektronlarning dastlabki energiyasi va impuls holatidan energiyasi foton energiyasi bilan dastlabki energiyadan yuqori va qattiq jismdagi elektronning bogʻlanish energiyasidan yuqori boʻlgan holatga oʻtishini kuzatish orqali amalga oshiriladi. Jarayonda elektronning impulsi deyarli saqlanib qoladi, uning tarkibiy qismi material yuzasiga perpendikulyar boʻlganidan tashqari. Shunday qilib, tarmoqli tuzilishi elektronlar material ichida bogʻlangan energiyadan ularni kristall bogʻlanishdan ozod qiladigan va ularni materialdan tashqarida aniqlashga imkon beradigan energiyaga aylantiriladi.

Erkin boʻlgan elektronning kinetik energiyasini oʻlchash orqali uning tezligi va mutlaq impulsini hisoblash mumkin. Sirt normaliga nisbatan emissiya burchagini oʻlchash orqali ARPES fotoemissiya jarayonida saqlanib qolgan ikki tekislikdagi momentum komponentini ham aniqlashi mumkin. Koʻp hollarda, agar kerak boʻlsa, uchinchi komponentni ham qayta qurish mumkin.

Ishlash prinsipi

PES texnikasining orqasidagi fizika fotoelektrik effektni qoʻllashdir. Namuna fotoelektrik ionlanishni keltirib chiqaradigan UV yoki XUV nurlari nuriga taʼsir qiladi. Chiqarilgan fotoelektronlarning energiyalari ularning dastlabki elektron holatlariga xos boʻlib, shuningdek, tebranish holatiga va aylanish darajasiga bogʻliq. Qattiq jismlar uchun fotoelektronlar faqat nanometr darajasidagi chuqurlikdan chiqib ketishi mumkin, shuning uchun u tahlil qilinadigan sirt qatlamidir.

Yorugʻlikning yuqori chastotasi va chiqarilgan elektronlarning katta zaryadi va energiyasi tufayli fotoemissiya elektron holatlar, molekulyar va atom orbitallarining energiyalari va shakllarini oʻlchash uchun eng sezgir va aniq usullardan biridir. Fotoemissiya, shuningdek, namuna oʻta yuqori vakuumga mos keladigan va tahlil qilingan moddani fondan ajratish mumkin boʻlsa, iz kontsentratsiyasidagi moddalarni aniqlashning eng sezgir usullaridan biridir.

Oddiy PES (UPS) asboblari 52 eV gacha foton energiyasiga ega (23,7 toʻlqin uzunligiga toʻgʻri keladi) UV nurlarining geliy gazi manbalaridan foydalanadi. nm). Haqiqatan ham vakuumga kelgan fotoelektronlar toʻplanadi va energiyasi hisoblanadi. Bu oʻlchangan kinetik energiyaning funktsiyasi sifatida elektron intensivligining spektriga olib keladi. Bogʻlovchi energiya qiymatlari osonroq qoʻllanishi va tushunilishi sababli, manbaga bogʻliq boʻlgan kinetik energiya qiymatlari manbadan mustaqil boʻlgan bogʻlovchi energiya qiymatlariga aylanadi. Bunga Eynshteyn munosabatini qoʻllash orqali erishiladi $E_{k}=h\nu -E_{B}$ . $h\nu$ Bu tenglamaning atamasi fotoqoʻzgʻalish uchun ishlatiladigan UV yorugʻlik kvantlarining energiyasidir. Fotoemissiya spektrlari ham sozlanishi mumkin boʻlgan sinxrotron nurlanish manbalari yordamida oʻlchanadi.

Oʻlchangan elektronlarning bogʻlanish energiyalari materialning kimyoviy tuzilishi va molekulyar bogʻlanishiga xosdir. Manba monoxromatorini qoʻshish va elektron analizatorning energiya ruxsatini oshirish orqali choʻqqilar toʻliq kengligi yarim maksimal (FWHM) 5-8 meV dan kam boʻlgan holda paydo boʻladi.

Ushbu maqola Mirzo Ulugʻbek nomidagi Oʻzbekiston Milliy universiteti Fizika fakulteti talabasi Abduvaliyeva Madina tomonidan Wikitaʼlim loyihasi doirasida ingliz tilidan tarjima qilindi.

Foydalanilgan adabiyotlar

↑ Hercules, D. M.; Hercules, S.H. Al (1984). „Analytical chemistry of surfaces. Part I. General aspects“. Journal of Chemical Education. 61-jild, № 5. 402-bet. Bibcode:1984JChEd..61..402H. doi:10.1021/ed061p402.
↑ Nordling, Carl; Sokolowski, Evelyn; Siegbahn, Kai (1957). „Precision Method for Obtaining Absolute Values of Atomic Binding Energies“. Physical Review. 105-jild, № 5. 1676-bet. Bibcode:1957PhRv..105.1676N. doi:10.1103/PhysRev.105.1676.
↑ Sokolowski E.; Nordling C.; Siegbahn K. (1957). „Magnetic analysis of X-ray produced photo and Auger electrons“. Arkiv för Fysik. 12-jild. 301-bet. OSTI 4353113.
↑ Ghosh, P. K.. Introduction to Photoelectron Spectroscopy. John Wiley & Sons, 1983. ISBN 978-0-471-06427-5.
↑ Vilesov, F. I.; Kurbatov, B. L.; Terenin, A. N. (1961). „Electron Distribution Over Energies In Photoionization Of Aromatic Amines in Gaseous Phase“. Soviet Physics Doklady. 6-jild. 490-bet. Bibcode:1961SPhD....6..490V.
↑ Turner, D. W.; Jobory, M. I. Al (1962). „Determination of Ionization Potentials by Photoelectron Energy Measurement“. The Journal of Chemical Physics. 37-jild, № 12. 3007-bet. Bibcode:1962JChPh..37.3007T. doi:10.1063/1.1733134.
↑ Bauer, M.; Lei, C.; Read, K.; Tobey, R.; et al. (2001). „Direct Observation of Surface Chemistry Using Ultrafast Soft-X-Ray Pulses“ (PDF). Physical Review Letters. 87-jild, № 2. 025501-bet. Bibcode:2001PhRvL..87b5501B. doi:10.1103/PhysRevLett.87.025501. 2007-06-11da asl nusxadan (PDF) arxivlandi.
↑ Corder, Christopher; Zhao, Peng; Bakalis, Jin; Li, Xinlong; Kershis, Matthew D.; Muraca, Amanda R.; White, Michael G.; Allison, Thomas K. (2018-01-24). „Ultrafast extreme ultraviolet photoemission without space charge“. Structural Dynamics. 5-jild, № 5. 054301-bet. arXiv:1801.08124. doi:10.1063/1.5045578. PMC 6127013. PMID 30246049.
↑ He, Yu; Vishik, Inna M.; Yi, Ming; Yang, Shuolong; Liu, Zhongkai; Lee, James J.; Chen, Sudi; Rebec, Slavko N.; Leuenberger, Dominik (January 2016). „Invited Article: High resolution angle resolved photoemission with tabletop 11 eV laser“. Review of Scientific Instruments (inglizcha). 87-jild, № 1. 011301-bet. arXiv:1509.01311. Bibcode:2016RScI...87a1301H. doi:10.1063/1.4939759. ISSN 0034-6748. PMID 26827301.
↑ Roberts, F. Sloan; Anderson, Scott L.; Reber, Arthur C.; Khanna, Shiv N. (2015-03-05). „Initial and Final State Effects in the Ultraviolet and X-ray Photoelectron Spectroscopy (UPS and XPS) of Size-Selected Pdn Clusters Supported on TiO2(110)“. The Journal of Physical Chemistry C (inglizcha). 119-jild, № 11. 6033–6046-bet. doi:10.1021/jp512263w. ISSN 1932-7447.

[Hercules84-1] Hercules, D. M.; Hercules, S.H. Al (1984). „Analytical chemistry of surfaces. Part I. General aspects“. Journal of Chemical Education. 61-jild, № 5. 402-bet. Bibcode:1984JChEd..61..402H. doi:10.1021/ed061p402.

[2] Nordling, Carl; Sokolowski, Evelyn; Siegbahn, Kai (1957). „Precision Method for Obtaining Absolute Values of Atomic Binding Energies“. Physical Review. 105-jild, № 5. 1676-bet. Bibcode:1957PhRv..105.1676N. doi:10.1103/PhysRev.105.1676.

[3] Sokolowski E.; Nordling C.; Siegbahn K. (1957). „Magnetic analysis of X-ray produced photo and Auger electrons“. Arkiv för Fysik. 12-jild. 301-bet. OSTI 4353113.

[4] Ghosh, P. K.. Introduction to Photoelectron Spectroscopy. John Wiley & Sons, 1983. ISBN 978-0-471-06427-5.

[5] Vilesov, F. I.; Kurbatov, B. L.; Terenin, A. N. (1961). „Electron Distribution Over Energies In Photoionization Of Aromatic Amines in Gaseous Phase“. Soviet Physics Doklady. 6-jild. 490-bet. Bibcode:1961SPhD....6..490V.

[6] Turner, D. W.; Jobory, M. I. Al (1962). „Determination of Ionization Potentials by Photoelectron Energy Measurement“. The Journal of Chemical Physics. 37-jild, № 12. 3007-bet. Bibcode:1962JChPh..37.3007T. doi:10.1063/1.1733134.

[7] Bauer, M.; Lei, C.; Read, K.; Tobey, R.; et al. (2001). „Direct Observation of Surface Chemistry Using Ultrafast Soft-X-Ray Pulses“ (PDF). Physical Review Letters. 87-jild, № 2. 025501-bet. Bibcode:2001PhRvL..87b5501B. doi:10.1103/PhysRevLett.87.025501. 2007-06-11da asl nusxadan (PDF) arxivlandi.

[8] Corder, Christopher; Zhao, Peng; Bakalis, Jin; Li, Xinlong; Kershis, Matthew D.; Muraca, Amanda R.; White, Michael G.; Allison, Thomas K. (2018-01-24). „Ultrafast extreme ultraviolet photoemission without space charge“. Structural Dynamics. 5-jild, № 5. 054301-bet. arXiv:1801.08124. doi:10.1063/1.5045578. PMC 6127013. PMID 30246049.

[9] He, Yu; Vishik, Inna M.; Yi, Ming; Yang, Shuolong; Liu, Zhongkai; Lee, James J.; Chen, Sudi; Rebec, Slavko N.; Leuenberger, Dominik (January 2016). „Invited Article: High resolution angle resolved photoemission with tabletop 11 eV laser“. Review of Scientific Instruments (inglizcha). 87-jild, № 1. 011301-bet. arXiv:1509.01311. Bibcode:2016RScI...87a1301H. doi:10.1063/1.4939759. ISSN 0034-6748. PMID 26827301.

[10] Roberts, F. Sloan; Anderson, Scott L.; Reber, Arthur C.; Khanna, Shiv N. (2015-03-05). „Initial and Final State Effects in the Ultraviolet and X-ray Photoelectron Spectroscopy (UPS and XPS) of Size-Selected Pdn Clusters Supported on TiO2(110)“. The Journal of Physical Chemistry C (inglizcha). 119-jild, № 11. 6033–6046-bet. doi:10.1021/jp512263w. ISSN 1932-7447.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]