光電子分光法

光電子分光法（PES ）は光電子分光法とも呼ばれ、^[1]固体、気体、液体から光電効果によって放出される電子のエネルギーを測定し、物質内の電子の結合エネルギーを決定する方法を指します。この用語は、イオン化エネルギーがX線、XUV、またはUV光子のいずれによって提供されるかに応じて、さまざまな手法を指します。ただし、入射光子ビームに関係なく、すべての光電子分光法は、放出された電子を測定することによる表面分析という一般的なテーマを中心に展開されます。^[2]

X 線光電子分光法(XPS) は、1957 年にカイ・ジークバーンによって開発され^{[3] [4]}、主に固体中の原子核電子のエネルギー レベルを研究するために使用されます。ジークバーンは、この技術を「化学分析用電子分光法」(ESCA) と呼びました。これは、イオン化された原子の化学環境に応じて核レベルに小さな化学シフトがあり、化学構造を決定できるためです。ジークバーンはこの研究により 1981 年にノーベル賞を受賞しました。XPS は PESIS (内殻用光電子分光法) と呼ばれることもありますが、低エネルギーの紫外線は核電子を励起できないため PESOS (外殻用) と呼ばれます。^[5]

紫外線光電子分光法（UPS）は、価電子レベルと化学結合、特に分子軌道の結合特性を研究するために使用されます。この方法は、もともと1961年にFeodor I. Vilesov ^[6]によって気相分子用に開発され、1962年にはDavid W. Turner ^[7]によって開発されました。他の初期の研究者には、David C. Frost、JHD Eland、K. Kimuraなどがいました。後に、Richard Smalleyがこの技術を改良し、サンプルを励起するためにUVレーザーを使用し、気体分子クラスター内の電子の結合エネルギーを測定しました。

角度分解光電子分光法(ARPES) は、エネルギーと運動量の分解能の最近の進歩とシンクロトロン光源の広範な利用可能性により、凝縮物質物理学で最も普及している電子分光法となっています。この技術は、結晶固体のバンド構造のマッピング、高度に相関した物質の準粒子ダイナミクスの研究、および電子スピン偏極の測定に使用されます。

2 光子光電子分光法(2PPE) は、ポンプとプローブの方式を導入することで、光励起電子状態まで技術を拡張します。

極端紫外光電子分光法（EUPS）は、XPSとUPSの中間に位置します。通常は価電子帯構造を評価するために使用されます。^[8] XPSと比較してエネルギー分解能が高く、UPSと比較して放出電子が高速であるため、空間電荷が少なくなり、最終状態の影響が緩和されます。^{[9] [10] [11]}

PES 技術の背後にある物理学は、光電効果の応用です。サンプルは、光電イオン化を誘発する UV または XUV 光線にさらされます。放出された光電子のエネルギーは、元の電子状態の特性であり、振動状態と回転レベルにも依存します。固体の場合、光電子はナノメートル オーダーの深さからしか逃げることができないため、分析されるのは表面層です。

光の周波数が高く、放出された電子の電荷とエネルギーが大きいため、光電子放出は、電子状態や分子軌道、原子軌道のエネルギーと形状を測定する最も感度が高く正確な技術の 1 つです。また、サンプルが超高真空に対応し、分析対象を背景から区別できる場合、光電子放出は微量濃度の物質を検出する最も感度の高い方法の 1 つです。

一般的な PES (UPS) 機器は、最大 52 eV (波長 23.7 nm に相当) の光子エネルギーを持つ UV 光のヘリウムガス源を使用します。実際に真空中に逃げた光電子が収集され、わずかに遅延され、エネルギー分解されてカウントされます。これにより、測定された運動エネルギーの関数として電子強度のスペクトルが得られます。結合エネルギー値の方が簡単に適用および理解できるため、ソースに依存する運動エネルギー値は、ソースに依存しない結合エネルギー値に変換されます。これは、アインシュタインの関係を適用することで実現されます。この式の項は、光励起に使用される UV 光量子のエネルギーです。光電子放出スペクトルは、調整可能なシンクロトロン放射源を使用しても測定されます。 ${\displaystyle E_{k}=h\nu -E_{B}}$${\displaystyle h\nu }$

測定された電子の結合エネルギーは、物質の化学構造と分子結合の特性です。ソースモノクロメータを追加し、電子分析装置のエネルギー分解能を上げると、 5～8 meV 未満の半値全幅(FWHM) のピークが現れます。

• 角度分解光電子分光法（ARPES）
• 逆光電子分光法（IPS）
• リュードベリイオン化分光法、ゼロ電子運動エネルギー分光法（ZEKE）を含む
• 二光子光電子分光法（2PPE）
• 超高真空（UHV）
• 紫外線光電子分光法（UPS）
• 振動分光法
• X線光電子分光法（XPS）
• ステファン・ヒューフナー
• ウィリアム・E・スパイサー

• ライナート、フリードリヒ; フフナー、ステファン (2005)。「光電子分光法 - 初期から最近の応用まで」。ニュージャーナルオブフィジックス。7  ( 1 ) : 97。Bibcode : 2005NJPh....7...97R。doi : 10.1088/1367-2630/7/1/097。ISSN 1367-2630。

• ARPESの原理に関するプレゼンテーション