Photoelektronenspektroskopie

Die Photoelektronenspektroskopie (PES) oder Photoemissionsspektroskopie beruht auf dem äußeren Photoeffekt, bei dem Photoelektronen durch elektromagnetische Strahlung aus einem Festkörper gelöst werden. In einem vereinfachten Modell verläuft der Prozess der Photoemission in drei Schritten. Zunächst erfolgt die Anregung des Elektrons durch das einfallende Photon, danach der Transport des angeregten Elektrons zur Oberfläche und als dritter Schritt der Austritt des Photoelektrons. Die Austrittsrichtung und die kinetische Energie dieser Elektronen erlaubt Rückschlüsse auf die chemische Zusammensetzung und die elektronische Beschaffenheit des untersuchten Festkörpers. In der Festkörperphysik und in benachbarten Gebieten wie der Oberflächenphysik, der Oberflächenchemie und der Werkstoffforschung spielt die Photoelektronenspektroskopie eine zentrale Rolle bei der Untersuchung besetzter elektronischer Zustände. Die apparative Weiterentwicklung seit dem Jahr 2000 erschloss der Photoelektronenspektroskopie neue Felder der Grundlagenforschung. Die Photoelektronenspektroskopie unterteilt sich in die Bereiche der Ultraviolettphotoelektronenspektroskopie (UPS, engl. ultraviolet PES), der Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS, engl. X-ray PES; auch ESCA, engl. electron spectroscopy for chemical analysis) und der winkelaufgelösten Photoelektronenspektroskopie (ARPES, engl. angle-resolved PES). Die Ultraviolett-Photoelektronenspektroskopie trifft vorwiegend Aussagen über chemische Verbindungen und elektronische Eigenschaften eines Materials. Die Röntgenphotoelektronenspektroskopie liefert Informationen über die Elementzusammensetzung der Oberfläche und über den chemischen Bindungszustand dieser Elemente. Die Informationstiefe entspricht der Ausdringtiefe der ungestreuten bzw. elastisch gestreuten Elektronen und beträgt in der Regel bis zu drei Nanometer. Mit winkelaufgelöster Photoelektronenspektroskopie wird die elektronische Struktur eines Festkörpers untersucht. Diese Messmethode eignet sich zum Vergleich der theoretisch gerechneten mit dem realen Verlauf der Spektralfunktion des Elektronensystems.