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

2.1 Photoelektronenspektroskopie 2. Theoretische Grundlagen
Abbildung 2.2: Energieniveaudiagramm für ein XPS Experiment an Aluminium. Ein
Röntgenphoton mit der Energie hν wird eingestrahlt und gibt seine Energie an ein Elektron
im 1s Orbital des Aluminums ab. Ist die absorbierte Energie ausreichend groß, kann
das Elektron die Bindungsenergie EB überwinden und die Austrittsarbeit φs leisten um
den Festkörper zu verlassen. Im Vakuum besitzen die Elektronen die restliche Energie
als kinetische Energie Ekin. Die Elektronen können dann das Spektrometer (Analysator)
erreichen. Das Spektrometer hat die Austrittsarbeit φSpek. Entnommen aus [11].
gegeben.
Dabei ist φSpek die Austrittsarbeit des Spektrometers, die im Gegensatz zur Austrittsarbeit
φs des Festkörpers bekannt ist. Damit ist es möglich, die Bindungsenergie des Elektrons
zu bestimmen. Die Bindungsenergie eines Elektrons ist abhängig vom elektrischen Potential
eines Atoms. Daher ist die Bindungsenergie eines Elektrons wie ein Fingerabdruck. Es ist also
möglich zu berechnen, aus welchem Element und aus welchem Orbital das Elektron kommt.
Die Wertigkeit oder Valenz eines Atoms führt zu einer chemischen Verschiebung, sodass die
Valenz ebenfalls bestimmt werden kann.
Die Eindringtiefe der Röntgenstrahlung in eine feste Probe liegt in der Größenordnung von
1-10 µm. Dennoch ist XPS eine oberflächensensitive Methode, da die Ausdringtiefe der Elektronen
aus der Probe bei etwa 10 ˚A liegt.
Aufgrund der geringen mittleren freien Weglänge λ der Elekronen müssen XPS-Messungen
im Ultrahochvakuum (UHV) durchgeführt werden. Die mittlere freie Weglänge ist die durchschnittliche
Weglänge, die ein Teilchen ohne Wechselwirkung mit anderen Teilchen zurücklegt.
Eine Wechselwirkung ist dabei jede Art von Energie- bzw. Impulsänderung des Teilchens. Die
Wahrscheinlichkeit für eine Energie- bzw Impulsänderung steigt mit größer werdender Teilchendichte.
Wenn eine XPS-Messung nicht im UHV stattfindet, dann verlieren die Elektronen
ihre gesamte kinetische Energie durch die Wechselwirkung mit anderen Teilchen. Die Photoelektronen
können den Analysator dann nicht mehr erreichen. Außerdem wird die Probe
im UHV nicht so schnell durch adsorbierte Teilchen verschmutzt und die XPS-Messung nicht
durch die Adsorbate verfälscht. Weitere Informationen über die genutzten UHV-Techniken
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