Spectroscopie électronique - Electron spectroscopy

La spectroscopie électronique fait référence à un groupe formé par des techniques basées sur l'analyse des énergies des électrons émis tels que les photoélectrons et les électrons Auger . Ce groupe comprend la spectroscopie photoélectronique aux rayons X (XPS), également connue sous le nom de spectroscopie électronique pour l'analyse chimique (ESCA), la spectroscopie de perte d'énergie électronique (EELS), la spectroscopie photoélectronique ultraviolette (UPS) et la spectroscopie électronique Auger (AES). Ces techniques analytiques sont utilisées pour identifier et déterminer les éléments et leurs structures électroniques à partir de la surface d'un échantillon d'essai. Les échantillons peuvent être des solides, des gaz ou des liquides.

Les informations chimiques ne sont obtenues qu'à partir des couches atomiques les plus élevées de l'échantillon (profondeur 10 nm ou moins) car les énergies des électrons et des photoélectrons Auger sont assez faibles, généralement de 20 à 2000 eV. Pour cette raison, la spectroscopie électronique est une technique d' analyse chimique de surface .

Histoire

On peut considérer que le développement de la spectroscopie électronique a commencé en 1887 lorsque le physicien allemand Heinrich Rudolf Hertz a découvert l' effet photoélectrique mais n'a pas été en mesure de l'expliquer. En 1900, Max Planck (prix Nobel de physique 1918) a suggéré que l'énergie transportée par les ondes électromagnétiques ne pouvait être libérée que dans des «paquets» d'énergie. En 1905, Albert Einstein (prix Nobel de physique 1921) expliqua la découverte de Planck et l'effet photoélectrique. Il a présenté l'hypothèse que l'énergie lumineuse est transportée dans des paquets quantifiés discrets (photons), chacun avec une énergie hν pour expliquer les observations expérimentales. Deux ans après cette publication, en 1907, PD Innes enregistre le premier spectre XPS.

Après de nombreux développements et la Seconde Guerre mondiale, Kai Siegbahn (prix Nobel en 1981) avec son groupe de recherche à Uppsala, en Suède, a enregistré en 1954 le premier appareil XPS à produire un spectre XPS à haute résolution énergétique. En 1967, Siegbahn a publié une étude complète de XPS et de son utilité, qu'il a appelée spectroscopie électronique pour l'analyse chimique (ESCA). Parallèlement aux travaux de Siegbahn, en 1962, David W. Turner de l' Imperial College de Londres (et plus tard de l'Université d'Oxford ) a développé la spectroscopie photoélectronique ultraviolette (UPS) pour les espèces moléculaires à l'aide d'une lampe à l'hélium.

Théorie de base

En spectroscopie électronique, selon la technique, l'irradiation de l'échantillon avec des particules à haute énergie telles que des photons de rayons X, des électrons de faisceau d'électrons ou des photons de rayonnement ultraviolet, provoque l'émission d'électrons et de photoélectrons Auger. La figure 1 illustre cela sur la base d'une seule particule dans laquelle, par exemple, le photon X entrant d'une plage d'énergie particulière (E = hν) transfère son énergie à un électron dans la coquille interne d'un atome. L'absorption des photons provoque l'émission d'électrons laisse un trou dans la coquille atomique (voir figure 1 (a)). Le trou peut être rempli de deux manières, formant différents rayons caractéristiques propres à chaque élément. Lorsque l'électron dans la coque d'un niveau d'énergie plus élevé remplit le trou, un photon fluorescent est émis (figure 1 (b)). Dans le phénomène Auger, l'électron dans la coquille du niveau d'énergie le plus élevé remplit le trou qui provoque l'émission de l'électron adjacent ou proche, formant l'électron Auger (figure 1 (c)).

Figure 1. Formation de photoélectrons (a) suivie de la formation de photons de fluorescence (b) ou d'électrons Auger (c).

Comme on peut le voir d'après la description ci-dessus et la figure 1, les électrons et les photoélectrons Auger sont différents dans leur origine physique, cependant, les deux types d'électrons portent des informations similaires sur les éléments chimiques dans les surfaces des matériaux. Chaque élément a sa propre énergie d'électrons Auger ou de photons à partir de laquelle ceux-ci peuvent être identifiés. L'énergie de liaison d'un photoélectron peut être calculée par la formule ci-dessous.

${\ displaystyle E _ {\ text {liaison}} = h \ nu -E _ {\ text {cinétique}} - \ phi}$

où la _liaison E est l'énergie de liaison du photoélectron, hν est l'énergie de la particule de rayonnement entrant, E _cinétique est l'énergie cinétique du photoélectron mesurée par l'appareil et est la fonction de travail . ${\ displaystyle \ phi}$

L'énergie cinétique de l'électron Auger est approximativement égale à la différence d'énergie entre les énergies de liaison des couches d'électrons impliquées dans le processus Auger. Cela peut être calculé comme suit:

${\ displaystyle E _ {\ text {cinétique}} = h \ nu -E _ {\ text {B}} - E _ {\ text {C}}}$

où E _cinétique est l'énergie cinétique de l'électron Auger, hν est l'énergie de la particule de rayonnement entrant et E _B est l'énergie de liaison de la première enveloppe externe et E _C est les énergies de liaison de la seconde coque externe.

Types de spectroscopie électronique

• Spectroscopie photoélectronique par rayons X
• Spectroscopie d'électrons Auger
• Spectroscopie de perte d'énergie électronique
• Spectroscopie de photoélectrons ultravioletsc

Les références