電子分光法

電子分光法は、光電子やオージェ電子などの放出電子のエネルギー分析に基づく技術のグループを指します。このグループには、化学分析用電子分光法 (ESCA) としても知られるX 線光電子分光法(XPS)、電子エネルギー損失分光法(EELS)、紫外線光電子分光法(UPS)、オージェ電子分光法(AES) が含まれます。これらの分析技術は、試験サンプルの表面から元素とその電子構造を識別および決定するために使用されます。サンプルは、固体、気体、液体です。^{[1] [2]}

オージェ電子と光電子のエネルギーは典型的には20 - 2000 eVと非常に低いため、化学情報はサンプルの最上層の原子層（深さ10 nm以下）からのみ得られます。このため、表面化学物質の分析には電子分光法が使用されます。^[1]

電子分光法の発展は、ドイツの物理学者ハインリヒ・ルドルフ・ヘルツが光電効果を発見したものの、それを説明できなかった 1887 年に始まったと考えられます。1900 年、マックス・プランク(1918 年ノーベル物理学賞受賞) は、電磁波によって運ばれるエネルギーはエネルギーの「パケット」としてのみ放出されると示唆しました。1905 年、アルバート・アインシュタイン(1921 年ノーベル物理学賞受賞) は、プランクの発見と光電効果について説明しました。彼は、実験的観察を説明するために、光エネルギーは離散的な量子化されたパケット (光子) で運ばれ、それぞれのエネルギーは E=hν であるという仮説を提示しました。この発表の 2 年後の 1907 年、PD イネスが最初の XPS スペクトルを記録しました。^[3]

数々の開発と第二次世界大戦を経て、 1954年、スウェーデンのウプサラにある研究グループと共同で、カイ・ジークバーン（1981年ノーベル賞受賞）が、高エネルギー分解能のXPSスペクトルを生成する最初のXPS装置を登録しました。1967年、ジークバーンはXPSとその有用性に関する包括的な研究を発表し、これを化学分析のための電子分光法（ESCA）と名付けました。ジークバーンの研究と同時期に、1962年に、インペリアル・カレッジ・ロンドン（後にオックスフォード大学）のデイビッド・W・ターナーがヘリウムランプを使用して分子種の紫外線光電子分光法（UPS）を開発しました。 ^[3]

電子分光法では、手法に応じて、X 線光子、電子ビーム電子、紫外線光子などの高エネルギー粒子をサンプルに照射すると、オージェ電子と光電子が放出されます。図 1 は、これを単一のイベントに基づいて示しています。このイベントでは、たとえば、特定のエネルギー範囲 (E=hv) からの入射 X 線光子が、そのエネルギーを原子の内殻の電子に伝達します。この光子が吸収されると、電子が放出され、原子殻に穴が残ります (図 1 (a) を参照)。この穴は 2 つの方法で埋めることができ、各要素に固有の異なる特性光線が形成されます。より高いエネルギー レベルの電子が穴を埋めるためにジャンプすると、エネルギー差が蛍光光子として放出されます (図 1 (b))。オージェ現象では、電子がより高いエネルギー レベルからジャンプすると、そのエネルギーによって代わりに隣接または近くの電子が放出され、オージェ電子が形成されます (図 1 (c))。^[1]

上の議論と図 1 からわかるように、オージェ電子と光電子は物理的起源が異なりますが、どちらのタイプの電子も物質表面の化学元素に関する同様の情報を伝達します。各元素には、これらを識別できる独自の特別なオージェ電子または光子電子エネルギーがあります。光電子の結合エネルギーは、以下の式で計算できます。^[1]

${\displaystyle E_{\text{バインディング}}=h\nu -E_{\text{キネティック}}-\phi }$

ここで、E _bindingは光電子の結合エネルギー、hνは入射する放射線粒子のエネルギー、E _kineticは装置によって測定された光電子の運動エネルギー、は仕事関数である。^[1]${\displaystyle \phi}$

オージェ電子の運動エネルギーは、オージェ過程に関与する電子殻の結合エネルギー間のエネルギー差にほぼ等しい。これは次のように計算できる。^[1]

${\displaystyle E_{\text{運動学}}=h\nu -E_{\text{B}}-E_{\text{C}}}$

ここで、E _kinetic はオージェ電子の運動エネルギー、hνは入射する放射線粒子のエネルギー、E _Bは第1外殻結合エネルギー、E _C は第2外殻結合エネルギーである。^[1]

• X線光電子分光法
• オージェ電子分光法
• 電子エネルギー損失分光法
• 紫外線光電子分光法