Kontent qismiga oʻtish

Fotoemissiya spektroskopiyasi

Vikipediya, ochiq ensiklopediya
Burchak bilan ajraladigan fotoemissiya spektroskopiyasining printsipi.

Fotoemissiya spektroskopiyasi ( PES ), shuningdek, fotoelektron spektroskopiyasi deb ham ataladi, moddadagi elektronlarning bog'lanish energiyasini aniqlash uchun qattiq jismlar, gazlar yoki suyuqliklardan fotoelektrik effekt orqali chiqariladigan elektronlarning energiyasini o'lchash mumkin. Bu atama ionlanish energiyasi rentgen, XUV yoki UV fotonlari tomonidan ta'minlanishiga qarab turli xil texnikalarni anglatadi.[1]

Turlari[tahrir | manbasini tahrirlash]

Rentgen fotoelektron spektroskopiyasi (XPS) 1957 yildan boshlab Kay Siegbahn tomonidan ishlab chiqilgan [2][3] va atom yadro elektronlarining, birinchi navbatda, qattiq jismlardagi energiya darajasini o'rganish uchun ishlatiladi. Siegbahn ushbu texnikani "kimyoviy tahlil uchun elektron spektroskopiya" (ESCA) deb nomlangan, chunki yadro sathlari ionlangan atomning kimyoviy muhitiga qarab kichik kimyoviy siljishlarga ega bo'lib, kimyoviy strukturani aniqlashga imkon beradi. Sigbahn 1981 yilda ushbu ishi uchun Nobel mukofotiga sazovor bo'lgan. XPS ba'zan PESIS (ichki qobiqlar uchun fotoelektron spektroskopiya) deb ataladi, ultrabinafsha nurlanishining past energiyali nurlanishi esa PESOS (tashqi qobiqlar) deb ataladi, chunki u yadro elektronlarini qo'zg'atolmaydi.[4]

Ultraviyole fotoelektron spektroskopiya (UPS) valentlik energiya darajasini va kimyoviy bog'lanishni, ayniqsa molekulyar orbitallarning bog'lanish xarakterini o'rganish uchun foydalaniladi. Usul dastlab gaz fazali molekulalar uchun 1961 yilda Feodor I. Vilesov [5] va 1962 yilda Devid V. Tyorner [6] tomonidan ishlab chiqilgan va boshqa dastlabki ishchilar Devid C. Frost, JHD Eland va K. Kimurani o'z ichiga olgan. Keyinchalik Richard Smalley texnikani o'zgartirdi va gazsimon molekulyar klasterlarda elektronlarning bog'lanish energiyasini o'lchash uchun namunani qo'zg'atish uchun UV lazeridan foydalangan.

Ikki fotonli fotoelektron spektroskopiya (2PPE) nasos va zond sxemasini joriy etish orqali optik qo'zg'atilgan elektron holatlarga texnikani kengaytiradi.

Ekstremal ultrabinafsha fotoelektron spektroskopiya (EUPS) XPS va UPS o'rtasida joylashgan. Odatda valentlik bandi tuzilishini baholash uchun ishlatiladi.[7] XPS bilan solishtirganda, u yaxshi energiya ruxsatini beradi va UPS bilan solishtirganda, chiqarilgan elektronlar tezroq bo'ladi, bu esa kamroq bo'sh joy zaryadiga va yakuniy holat effektlarini yumshatishga olib keladi.[8][9][10]

Fotoelektron spektroskopiya (PES) yuzalar va interfeyslarning fizik va kimyoviy xossalari haqida fundamental ma'lumotlarni taqdim etdi.1,2 PES tajribalarining ulkan turlaridan biri yorug'lik manbai sifatida yuqori tartibli garmonik hosil qilish (HHG) dan foydalanadigan PES laboratoriyada spektroskopiyaga imkon beradi. Keng sozlanishi foton energiyasi, yorug'likning o'zgaruvchan polarizatsiyasi va attosekunddan femtosekundgacha bo'lgan vaqt o'lchamlari. Shu sababli, HHG asosidagi PES yigirma yildan ortiq vaqt davomida yuzalar va interfeyslardagi dinamik jarayonlarni o'rganish uchun ishlab chiqilgan.3–5 Ushbu maqolada biz HHG asosidagi PES tajribalarining yuzalar va interfeyslarda umumiy ko'rinishini taqdim etiladi. Burchak bilan aniqlangan fotoemissiya spektroskopiyasi (ARPES) - bu materialdagi, odatda kristalli qattiq jismdagi elektronlarning ruxsat etilgan energiyalari va momentlarini tekshirish uchun kondensatsiyalangan moddalar fizikasida qo'llaniladigan eksperimental usul. U fotoelektrik effektga asoslangan bo'lib, unda yetarli energiyaga ega bo'lgan kiruvchi foton material yuzasidan elektronni chiqaradi. Chiqarilgan fotoelektronlarning kinetik energiyasi va emissiya burchagi taqsimotini to'g'ridan-to'g'ri o'lchash orqali texnika elektron tarmoqli tuzilishi va Fermi sirtlarini xaritalashi mumkin. ARPES bir yoki ikki o'lchovli materiallarni o'rganish uchun eng mos keladi. U fiziklar tomonidan yuqori haroratli o'ta o'tkazgichlar, grafen, topologik materiallar, kvant quduqlari holati va zaryad zichligi to'lqinlarini ko'rsatadigan materiallarni tekshirish uchun ishlatilgan.

ARPES tizimlari fotonlarning tor nurini etkazib berish uchun monoxromatik yorug'lik manbai, material namunasini joylashtirish uchun ishlatiladigan manipulyatorga ulangan namuna ushlagichi va elektron spektrometrdan iborat. Uskuna ultra yuqori vakuum (UHV) muhitida joylashgan bo'lib, u namunani himoya qiladi va chiqarilgan elektronlarning tarqalishini oldini oladi. Kinetik energiya va emissiya burchagi bo'yicha ikkita perpendikulyar yo'nalish bo'ylab tarqalib ketgandan so'ng, elektronlar detektorga yo'naltiriladi va ARPES spektrlarini ta'minlash uchun hisoblanadi - bir impuls yo'nalishi bo'ylab tarmoqli strukturasining bo'laklari. Ba'zi ARPES asboblari spinning polarizatsiyasini o'lchash uchun detektor yonida elektronlarning bir qismini ajratib olishlari mumkin.

Kristalli qattiq jismlardagi elektronlar faqat ma'lum energiya va momentlarning holatini to'ldirishi mumkin, boshqalari kvant mexanikasi tomonidan taqiqlangan. Ular qattiq jismning tarmoqli tuzilishi deb nomlanuvchi holatlarning uzluksizligini hosil qiladi. Tarmoq strukturasi materialning izolyator, yarimo'tkazgich yoki metall ekanligini, u elektr tokini qanday o'tkazishini va qaysi yo'nalishda eng yaxshi o'tkazishini yoki magnit maydonda o'zini qanday tutishini aniqlaydi.

Burchak bilan hal qilingan fotoemissiya spektroskopiyasi tarmoqli tuzilishini aniqlaydi va tarqalish jarayonlarini va elektronlarning materialning boshqa tarkibiy qismlari bilan o'zaro ta'sirini tushunishga yordam beradi. Buni fotonlar tomonidan chiqarilgan elektronlarning dastlabki energiyasi va impuls holatidan energiyasi foton energiyasi bilan dastlabki energiyadan yuqori va qattiq jismdagi elektronning bog'lanish energiyasidan yuqori bo'lgan holatga o'tishini kuzatish orqali amalga oshiriladi. Jarayonda elektronning impulsi deyarli saqlanib qoladi, uning tarkibiy qismi material yuzasiga perpendikulyar bo'lganidan tashqari. Shunday qilib, tarmoqli tuzilishi elektronlar material ichida bog'langan energiyadan ularni kristall bog'lanishdan ozod qiladigan va ularni materialdan tashqarida aniqlashga imkon beradigan energiyaga aylantiriladi.

Erkin bo'lgan elektronning kinetik energiyasini o'lchash orqali uning tezligi va mutlaq impulsini hisoblash mumkin. Sirt normaliga nisbatan emissiya burchagini o'lchash orqali ARPES fotoemissiya jarayonida saqlanib qolgan ikki tekislikdagi momentum komponentini ham aniqlashi mumkin. Ko'p hollarda, agar kerak bo'lsa, uchinchi komponentni ham qayta qurish mumkin.

Ishlash prinsipi

PES texnikasining orqasidagi fizika fotoelektrik effektni qo'llashdir. Namuna fotoelektrik ionlanishni keltirib chiqaradigan UV yoki XUV nurlari nuriga ta'sir qiladi. Chiqarilgan fotoelektronlarning energiyalari ularning dastlabki elektron holatlariga xos bo'lib, shuningdek, tebranish holatiga va aylanish darajasiga bog'liq. Qattiq jismlar uchun fotoelektronlar faqat nanometr darajasidagi chuqurlikdan chiqib ketishi mumkin, shuning uchun u tahlil qilinadigan sirt qatlamidir.

Yorug'likning yuqori chastotasi va chiqarilgan elektronlarning katta zaryadi va energiyasi tufayli fotoemissiya elektron holatlar, molekulyar va atom orbitallarining energiyalari va shakllarini o'lchash uchun eng sezgir va aniq usullardan biridir. Fotoemissiya, shuningdek, namuna o'ta yuqori vakuumga mos keladigan va tahlil qilingan moddani fondan ajratish mumkin bo'lsa, iz kontsentratsiyasidagi moddalarni aniqlashning eng sezgir usullaridan biridir.

Oddiy PES (UPS) asboblari 52 eV gacha foton energiyasiga ega (23,7 to'lqin uzunligiga to'g'ri keladi) UV nurlarining geliy gazi manbalaridan foydalanadi. nm). Haqiqatan ham vakuumga kelgan fotoelektronlar to'planadi va energiyasi hisoblanadi. Bu o'lchangan kinetik energiyaning funktsiyasi sifatida elektron intensivligining spektriga olib keladi. Bog'lovchi energiya qiymatlari osonroq qo'llanilishi va tushunilishi sababli, manbaga bog'liq bo'lgan kinetik energiya qiymatlari manbadan mustaqil bo'lgan bog'lovchi energiya qiymatlariga aylanadi. Bunga Eynshteyn munosabatini qo'llash orqali erishiladi . Bu tenglamaning atamasi fotoqo'zg'alish uchun ishlatiladigan UV yorug'lik kvantlarining energiyasidir. Fotoemissiya spektrlari ham sozlanishi mumkin bo'lgan sinxrotron nurlanish manbalari yordamida o'lchanadi.

O'lchangan elektronlarning bog'lanish energiyalari materialning kimyoviy tuzilishi va molekulyar bog'lanishiga xosdir. Manba monoxromatorini qo'shish va elektron analizatorning energiya ruxsatini oshirish orqali cho'qqilar to'liq kengligi yarim maksimal (FWHM) 5-8 meV dan kam bo'lgan holda paydo bo'ladi.

Ushbu maqola Mirzo Ulugʻbek nomidagi Oʻzbekiston Milliy universiteti Fizika fakulteti talabasi Abduvaliyeva Madina tomonidan Wikitaʼlim loyihasi doirasida ingliz tilidan tarjima qilindi.

Foydalanilgan adabiyotlar[tahrir | manbasini tahrirlash]

  1. Hercules, D. M.; Hercules, S.H. Al (1984). „Analytical chemistry of surfaces. Part I. General aspects“. Journal of Chemical Education. 61-jild, № 5. 402-bet. Bibcode:1984JChEd..61..402H. doi:10.1021/ed061p402.
  2. Nordling, Carl; Sokolowski, Evelyn; Siegbahn, Kai (1957). „Precision Method for Obtaining Absolute Values of Atomic Binding Energies“. Physical Review. 105-jild, № 5. 1676-bet. Bibcode:1957PhRv..105.1676N. doi:10.1103/PhysRev.105.1676.
  3. Sokolowski E.; Nordling C.; Siegbahn K. (1957). „Magnetic analysis of X-ray produced photo and Auger electrons“. Arkiv för Fysik. 12-jild. 301-bet. OSTI 4353113.
  4. Ghosh, P. K.. Introduction to Photoelectron Spectroscopy. John Wiley & Sons, 1983. ISBN 978-0-471-06427-5. 
  5. Vilesov, F. I.; Kurbatov, B. L.; Terenin, A. N. (1961). „Electron Distribution Over Energies In Photoionization Of Aromatic Amines in Gaseous Phase“. Soviet Physics Doklady. 6-jild. 490-bet. Bibcode:1961SPhD....6..490V.
  6. Turner, D. W.; Jobory, M. I. Al (1962). „Determination of Ionization Potentials by Photoelectron Energy Measurement“. The Journal of Chemical Physics. 37-jild, № 12. 3007-bet. Bibcode:1962JChPh..37.3007T. doi:10.1063/1.1733134.
  7. Bauer, M.; Lei, C.; Read, K.; Tobey, R.; et al. (2001). „Direct Observation of Surface Chemistry Using Ultrafast Soft-X-Ray Pulses“ (PDF). Physical Review Letters. 87-jild, № 2. 025501-bet. Bibcode:2001PhRvL..87b5501B. doi:10.1103/PhysRevLett.87.025501. 2007-06-11da asl nusxadan (PDF) arxivlandi.
  8. Corder, Christopher; Zhao, Peng; Bakalis, Jin; Li, Xinlong; Kershis, Matthew D.; Muraca, Amanda R.; White, Michael G.; Allison, Thomas K. (2018-01-24). „Ultrafast extreme ultraviolet photoemission without space charge“. Structural Dynamics. 5-jild, № 5. 054301-bet. arXiv:1801.08124. doi:10.1063/1.5045578. PMC 6127013. PMID 30246049.
  9. He, Yu; Vishik, Inna M.; Yi, Ming; Yang, Shuolong; Liu, Zhongkai; Lee, James J.; Chen, Sudi; Rebec, Slavko N.; Leuenberger, Dominik (January 2016). „Invited Article: High resolution angle resolved photoemission with tabletop 11 eV laser“. Review of Scientific Instruments (inglizcha). 87-jild, № 1. 011301-bet. arXiv:1509.01311. Bibcode:2016RScI...87a1301H. doi:10.1063/1.4939759. ISSN 0034-6748. PMID 26827301.
  10. Roberts, F. Sloan; Anderson, Scott L.; Reber, Arthur C.; Khanna, Shiv N. (2015-03-05). „Initial and Final State Effects in the Ultraviolet and X-ray Photoelectron Spectroscopy (UPS and XPS) of Size-Selected Pdn Clusters Supported on TiO2(110)“. The Journal of Physical Chemistry C (inglizcha). 119-jild, № 11. 6033–6046-bet. doi:10.1021/jp512263w. ISSN 1932-7447.