Die Photoelektronenspektrometrie (ESCA - Electron Spectroscopy for Chemical Analysation) zählt heutzutage zu den wichtigsten Oberflächenanalyse-Methoden der Festkörperphysik und Material-wissenschaften. Die elektrische Charakterisierung und die Elementanalyse (Identifizierung und Quantifizierung/Stöcheometriebestimmung) von Metallen, Halbleitern und Polymeren sind von großem Interesse für Wissenschaft und Industrie.

Am 1. Physikalischen Institut steht eine ESCA-Anlage (Electron Spektro-scopy for Chemical Analysis), der Firma VG-Scientific Ltd. (mittlerweile Thermo Fischer) zur Verfügung. Die Apparatur ist mit einem XPS- (X-ray Photoelectron Spectroscopy) zur Analyse der tiefen Bindungszustände und einem UPS- (Ultraviolette Photoelectron Spectroscopy) Experiment zur Betrachtung des Valenzbandes, sowie mit einer Argon-Ionen-Kanone zur Reinigung, Zerstäubung (für Tiefenprofile) der Probenoberfläche ausgestattet. Die Experimente finden im UHV (Ultra-Hoch-Vakuum) im Bereich von 10^-9 bis 10^-10 mbar statt.

Historie

Die Idee der Messmethode beruht auf dem photoelektrischen Effekt. Die Entdeckung des photoelektrischen Effekts verdanken wir den Arbeiten von Hertz, Hallwachs, Thomson, Planck und Einstein (Ende 19. und Anfang 20. Jahrhundert). Planck erhielt 1918 den Nobelpreis für die „Theorie der Quantelung der Energie“. Einstein benutzte Plancks Theorie zur Erklärung verschiedener physikalischer Phenomäne, unter anderem auch des photoelektrischen Effekts und erhielt dafür 1921 den Nobelpreis. Kai Siegbahn entwickelte, basierend auf den Überlegungen von Planck und Einstein, in den 1950er und 1960er Jahren die Technologie und Theorie zur Messmethode, auf der heute noch moderne ESCA-Anlagen basieren.

Methode

Bei XPS-Untersuchungen wird (nicht)monochromatische Röntgenstrahlung, mit einer charakteristischen Energie, auf eine Probe geschossen. Die Photonen lösen Elektronen aus den ersten 1 - 10 nm der Probenoberfläche aus. Danach besitzen die Elektronen eine kinetische Energie E_Kin und bewegen sich durch das UHV Richtung Energieanalysator mit Detektor. Das resultierende Spektrum zeigt die kinetische Energie bzw. Bindungsenergie der Elektronen. Diese ist charakteristisch für die Orbitale aus denen die Elektronen emittiert wurden. Die Bindungsenergie lässt sich direkt aus der kinetischen Energie und der Anregungsenergie der Röntgenquelle bestimmen:

Die inelastischen Stoßprozesse kann man in zwei Arten unterteilen. Der dominierende Prozess ist der Photoeffekt. Das ankommende Lichtquant überträgt seine gesamte Energie auf ein Elektron einer inneren Schale. Dieses Elektron wird durch Photoemission ins Vakuumniveau ausgelöst und besitzt die kinetische Energie E_Kin (Gleichung 1). Das entstandene Loch in der inneren Schale wird mit einem Elektron aus einem energetisch höherliegenden Niveau aufgefüllt. Durch diesen Folgeeffekt wird Energie frei. Diese Energie wird auf ein sogenanntes Augerelektron, aus der gleichen oder einer benachbarten Schale  übertragen. Das Augerelektron wird strahlungsfrei ins Vakuumniveau emittiert. Die Bindungsenergie der Augerelektronen ist nicht von der Anregungsenergie der Röntgenstrahlung abhängig. Die Photoelektronen hingegen hängen direkt von dieser ab (Gleichung 1). Ein weiterer Effekt ist die Röntgenfluoreszenz. Anstatt eines Augerelektrons wird dabei ein Röntgenquant mit der Wellenlänge des freiwerdenden Energiebetrags abgestrahlt.

Anlage des 1. Physikalischen Instituts

ESCA-Anlage (Electron Spectroscopy for Chemical Analysis), der Firma VG-Scientific Ltd. (mittlerweile Thermo Fischer)

• XPS: Dualanode Röntgenröhre Mark II (VG) (Al : 1486,6 eV; Mg : 1253,6 eV, Linienbreiten von 0,85 eV und 0,70 eV)
• UPS: UV-Quelle UVS 10/35 (Specs) (He I: 21,22 eV; He II: 40,82 mit Linienbreiten von 3 meV und 17 meV)
• Argon-Ionen-Kanone AG60 (VG) zur Reinigung und Zerstäubung (für Tiefenprofile)  der Probenoberfläche
• Elektrostatischer Sektorfeld Energieanalysator CLAM100 (VG)
• Channeltron Detektor mit max. Auflösung von 0,01 eV für UPS und 0,05 eV für XPS
• UHV (Ultra-Hoch-Vakuum) im Bereich von 10^-9 bis 10^-10 mbar

Probenvorraussetzungen

• Festkörperproben (max. Dicke 5-8 mm, UHV-tauglich)
• keine Pulverproben
• optimale Probengröße 8 x 8 mm²

Kommerzielle Anfragen über PASS - TransMIT