Photoelektronenspektroskopie (XPS – X-ray Photoelectron Spectroscopy)
Die Photoelektronenspektroskopie (XPS), auch bekannt unter dem Namen Elektronenspektroskopie für die chemische Analyse (ESCA), ist eine leistungsfähige Methode für die quantitative Analyse von Festkörperoberflächen, einschließlich von Monolagen. Die Dicke der mit XPS untersuchten Oberflächenschicht beträgt ca. 5 nm.
Die XPS-Messung basiert auf der von Einstein 1905 formulierten Gleichung für den photoelektrischen Effekt:
hν = Eb + Ekin,
wobei hν die Energie der Röntgenstrahlung (Mg Kα oder Al Kα), Eb die Bindungsenergie der Elektronen in der Probe und Ekin die kinetische Energie der herausgeschlagenen Elektronen ist. Die kinetische Energie der Photoelektronen wird mit Hilfe eines energiedispersiven Analysators gemessen (Abb. 1).
Abb. 1: XPS-Spektometer
Die Bindungsenergie Eb ist charakteristisch für ein bestimmtes chemisches Element und das entsprechende Elektronenniveau. Mit Hilfe der XPS lassen sich außer Wasserstoff sämtliche Elemente im festen, flüssigen oder gasförmigen Aggregatzustand untersuchen. Die XPS wird intensiv für die Untersuchung von Oberflächenreaktionen wie Oxidation, Adsorption, Katalyse, Korrosion und Diffusion sowie von dünnen Filmen und Oberflächenbeschichtungen eingesetzt. Weiterhin können mit Hilfe der XPS die funktionellen Gruppen und der Oxidationszustand eines Elementes sowie seine effektive Ladung in einer Verbindung bestimmt werden.
Im Labor der Arbeitsgruppe Reich befindet sich ein XPS-Spektrometer der Firma SPECS Surface Nano Analysis GmbH (Berlin) mit einer Hochleistungs-Dualanoden Al/Mg-Röntgenröhre und einem hemisphärischen Energieanalysator PHOIBOS 100 MCD (Abb. 2).
Abb.2: XPS-Messprinzip
Die Messung der Probe erfolgt im Ultrahochvakuum (~10-7 Pa) der UHV-Analytikkammer. Das Spektrometer verfügt über eine Ionenquelle (IQE 11/35-LP) zur Enfernung von Oberflächenverunreinigungen durch Beschuss mit Ar+-Ionen. Die Spektrenauswertung erfolgt mit dem Programm CasaXPS.
Beispiele für XPS-Messungen im AK Reich:
• Uranylcarbonate (Abb. 3, S. Amayri et al., J. Solid State Chem. 178 (2005) 567)
• Sorption von Huminstoffen an Kaolinit (A. Krepelova et al., J. Colloid Interface Sci. 319 (2008) 40)
• Schwefelfunktionalität in Huminstoffen (S. Sachs et al., Radiochim. Acta 98 (2010) 467)
• Sorption von Actiniden an Mineralien (z.B. Kaolinit, Opalinuston, Hämatit, Mackinawit)
• Elektrochemisch hergestellte Abscheidungen von Actiniden auf Metallfolien
• Ionische Flüssigkeiten (RTIL-room temperature ionic liquids)
• Organisches/biologisches Material (z.B. Leder, Zähne, Pflanzenteile, Bakterien)
Abb.3: XPS-Spektrum von Swartzit (CaMgUO2(CO3)3*12H2O)