Oxidation von Eisenschichten auf MgO(001)-Substraten - Universität ...

2.1 Photoelektronenspektroskopie 2. Theoretische Grundlagen
Die Spin-Bahn-Kopplung ist dafür verantwortlich, dass jeder Elektronenzustand mit l >
0 in einem XPS-Spektrum als Dublett auftritt, da j sowohl den Wert j = l + s als auch den
Wert j = l − s annehmen kann.
Die offizielle Nomenklatur für die Zustände eines Atoms ist nlj. Beispielsweise wird ein Zu-
stand mit den Quantenzahlen n = 2, l = 1, s = 1/2 und dem daraus folgendem j = 1 + 1 3
2 = 2
bezeichnet. Dieses Beispiel zeigt auch die Aufspaltung in ein Dublett, da ebenfalls
mit 2p 3
2
j = 1 − 1
2
= 1
2
gilt und deshlab auch ein Zustand mit der Bezeichnung 2p 1
2
Die relative Intensität der Zustände eines Dubletts ist gegeben durch
2.1.1.3 Satelliten
Ij=l+s
Ij=l−s
= l + 1
l
existiert [13].
(2.7)
Beim einem perfekten Ablauf eines Photoemissionsprozess absorbiert ein Elektron die Energie
des Röntgenphotons. Das Elektron verliert einen Teil der Energie durch das Aufbringen
der Austrittsarbeit beim verlassen des Atoms und behält die restliche Energie in Form von
kinetischer Energie. Diese Elektronen erzeugen die Hauptpeaks im XPS-Spektrum. Bei einer
XPS-Messung treten allerdings weitere Effekte auf, die dazu führen, dass weitere Signale
im Spektrum auftauchen. Diese zusätzlichen Signale werden als Satelliten bezeichnet. Dazu
zählen die sogenannten Shake-up- und Shake-off-Satelliten. Diese besitzen immer eine geringere
kinetische Energie als die Elektronen, welche die Hauptpeaks erzeugen. Sie werden
durch Zweielektronenprozesse erzeugt, bei denen während des Photoemissionsprozesses noch
ein weiteres Elektron definiert angeregt wird. Dem Photoelektron fehlt diese Energie und
wird mit entsprechend geringerer kinetischer Energie emittiert. Wenn das zweite angeregte
Elektron gebunden bleibt, dann spricht man von Shake-up-, wird es ebenfalls emittiert von
Shake-off-Prozessen.
Die Oxide der Übergangsmetalle wie zum Beispiel FeO weisen zusätzliche Satelliten in ihren
Spektren auf. Diese werden durch den sogenannten Charge Transfer ( ” Ladungsverschiebung“)
verursacht. So kann zum Beispiel bei FeO ein Elektron vom 2p Orbital des Sauerstoffs (Ligand
L) in das 3d-Orbital von Eisen (n = 6) übertragen: 3d n L → 3d n+1 L −1 . Bei diesem Vorgang
wird die Energie
∆ = E(3d n+1 L −1 ) − E(3d n L) (2.8)
frei. Weitere Satelliten können durch die Anregung von Plasmonenschwingungen während des
Photoemissionsprozesses in definiertem Abstand zum Hauptsignal auftreten. Plasmonen sind
kollektive Elektronenschwingungen die durch Störung des Elektronenkollektivs entstehen und
sich im Festkörper verbreiten.
Bei Verwendung einer nicht monochromatischen Röntgenquelle werden zusätzliche Satelliten
durch die unterschiedlichen Anregungsenergien erzeugt.
2.1.1.4 Auger-Effekt
In Abbilding 2.4 ist ein Beispiel für den Auger-Effekt schematisch dargestellt und wird im
Folgenden beschrieben. Ein herausgelöstes Photoelektron oder ein durch Elektronenstoßionisation
herausgeschlagenes Elektron hinterlässt ein Loch in der Elektronenhülle des Atoms.
Beim Relaxationsprozess des Atoms wird das fehlende sogenannte Primärelektron durch ein
Elektron einer energetisch höheren Schale ersetzt. Die bei diesem Vorgang frei werdende
Energie kann auf ein weiteres Elektron übertragen werden. Das Elektron kann mit der aufgenommenen
Energie das Atom verlassen. Die bei diesem sekundären Prozess emittierten
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