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

2.1 Photoelektronenspektroskopie 2. Theoretische Grundlagen
• Die natürliche Linienbreite der Röntgenquelle ∆Ep: Sie wird mit steigender Ordnungszahl
Z des Anodenmaterials größer. Al-Kα und Mg-Kα zeichen sich durch ihre geringe
natürliche Lineinbreite aus. Sie sind deshalb die wichtigsten Röntgenquellen für die
XPS. Die Linienbreite beträgt für Al-Kα 0,9 eV und für Mg-Kα 0,8 eV.
• Die natürliche Linienbreite der untersuchten Energieniveaus ∆En: Diese ist abhängig
von der Lebensdauer des Endzustands und wird beschrieben durch die Heisenbergsche
Unschärferelation ∆E ≥ h/2π∆t. Die Lebensdauer der Elektronenlöcher verringert
sich durch die Zunahme der Bindungsenergie und wird bei kernnahen Orbitalen
hauptsächlich durch die Auger-Übergangsrate bestimmt. Die natürliche Linienbreite
liegt meistens im Bereich von einigen zehntel eV und wird durch Phononenanregung
zusätzlich verbreitert.
• Das Auflösungsvermögen des Analysators ∆Ed: Der Analysator kann die kinetische
Energie der detektierten Elektronen nur begrenzt genau bestimmen.
Diese Beiträge sind linear unabhängig und ergeben die Gesamtlinienbreite mit
∆E =
�
∆E 2 p + ∆E 2 n + ∆E 2 d
2.1.2 Streuprozesse der Photoelektronen
[14]. (2.10)
Nachdem ein Photoelektron angeregt wurde, besitzt es eine definierte kinetische Energie. Mit
dieser Energie bewegt sich das Elektron durch den Festkörper. Bei der Bewegung durch den
Festkörper kann das Photoelektron an anderen Elektronen, Fehlstellen, oder Atomkernen
gestreut werden. Die Häufigkeit mit der das Elektron im Festkörper wechselwirkt ist dabei
abhängig von der mittleren freien Weglänge λ des Elektrons. Das Elektron kann durch die
Wechselwirkung Energie verlieren und so inelastisch gestreut werden. Es kann aber auch
durch die Potentiale der einzelnen Atomkerne angezogen und so von seiner ursprünglichen
Bahn abgelenkt werden. Durch diese attraktive Wechselwirkung, wird das Elektron elastisch
gestreut. Womit die Elektronen bei der Bewegung durch den Festkörper in Wechselwirkung
treten, ist abhängig von ihrer kinetischen Energie. Besitzen sie eine kleine kinetische Energie,
wechselwirken sie hauptsächlich mit den Atomkernen, haben sie eine große kinetische Energie,
finden Wechselwirkungen mit den Elektronen statt.
2.1.2.1 Inelastische Streuung
Die Eindringtiefe der Röntgenstrahlung in einen Festkörper liegt bei einigen µm. Es werden
also auch Elektronen in dieser Tiefe angeregt. Die angeregten Elektronen müssen jedoch noch
den Festkörper verlassen, um detektiert zu werden. Sie verlieren durch die inelastische Streuung
bei der Bewegung durch den Festkörper Energie. Der Energieverlust durch Stoßprozesse
wird für Elektronen aus tieferen Ebenen zunehmend größer. Die verursachten Energieverluste
können dazu führen, dass die Elektronen das Vakuum gar nicht oder nur mit stark verringerter
kinetischer Energie erreichen. Deshalb können nur die Elektronen der obersten Atomlagen
verlustfrei und mit voller kinetischer Energie den Detektor erreichen. In Abbildung 2.5 ist
die mittlere frei Weglänge der Elektronen in einzelnen Materialien in Abhängigkeit von ihrer
kinetischen Energie graphisch dargestellt.
Die Anzahl der Elektronen, welche die Oberfläche der Probe ohne Energieverlust erreichen,
z
− kann mit dem exponentiellen Verhalten e λ beschrieben werden. Diese Elektronen bilden das
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