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Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS)

Röntgenstrahlung hat Photonenenergien im Bereich von keV. Diese Energie ist größer als die Bindungsenergie kernnaher Elektronen. Wird ein solches Photon absorbiert steht für das absorbierende Elektron genügend Energie zur Verfügung um das Atom zu verlassen. Ist die Energie der einfallenden Photonen bekannt, kann man die kinetische Energie der Elektronen messen um auf die Bindungsenergie zu schließen.

Da die Bindungsenergie elementspezifisch ist kann anhand eines Röntgenelektronenspektrums bestimmt werden welche Elemente in der Probe enthalten sind. Da die mittleren freien Weglängen der Elektronen über dies im Bereich weniger nm liegen, ist die Methode oberflächensensitiv. Dies kann man sich z.B. zur Prüfung der Reinheit von Oberflächen zu Nutze machen.

Wie bereits erwähnt, werden mit dieser Methode kernnahe Elektronen untersucht. Im Valenzbereich wird anstelle von Röntgenstrahlung UV-Licht verwendet, was zur verwandten UPS-Methode führt. Die Untersuchung kernnaher Elektronen hat den Vorteil, dass diese sich nicht an Bindungen beteiligen und ihre Energieniveaus deshalb nahezu unberührt sind von der Bindungssituation des Atoms. Betrachtet man die Bindungsenergie jedoch genau ergeben sich dennoch kleine Verschiebungen der Energien, je nach chemischer Nachbarschaft des Atoms. Dieser sogenannte „chemical shift“ kann genutzt werden um Informationen über die Bindungssituation der Atome zu erhalten.

Typische Fragestellungen, die mit dieser Technik behandelt werden, sind:

Ist eine Oberfläche auf mikroskopischer Ebene sauber?

→ Suche nach Kohlenstoff als Bestandteil typischer Verunreinigungen

Abbildung 1: Ausschnitt aus XPS-Spektrum einer Silberoberfläche vor und nach Reinigung von Kohlenstoff.

Wie sieht die chemische Zusammensetzung einer Schicht aus? Binden Moleküle an Oberflächen oder werden sie physisorbiert?

→ Untersuchung von „chemical shifts“

Abbildung 2: Energetische Aufspaltung des N1s-Signals. Dies zeigt, dass Stickstoff hier in unterschiedlicher chemischer Umgebung vorliegt.

Abbildung 3: Energetische Aufspaltung des Schwefel-Signals. Aus der Auftrennung der Messdaten in vier verschiedene S2p-Dubletts kann auf die Ordnung des Dithiol-SAMs rückgeschlossen werden [1].

Beispielhafte Publikationen unserer Gruppe, in denen XPS Verwendung fand:

• [1] Immobilization of quantum dots via conjugated self-assembled monolayers and their application as a light-controlled sensor for the detection of hydrogen peroxide.
  W. Khalid, M. El Helou, T. Murböck, Z. Yue, J.-M. Montenegro, K. Schubert, G. Göbel, F. Lisdat, G. Witte and W. J. Parak
  ACS Nano 5 (12), 9870-9876 (2011)
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• Formation and Stability of Phenylphosphonic Acid Monolayers on ZnO: Comparison of in-situ and ex-situ SAM Preparation.
  Alexandra Ostapenko, Tobias Klöffel, Bernd Meyer, and Gregor Witte
  Langmuir 32 (20), 5029−5037 (2016) • DOI: 10.1021/acs.langmuir.6b00487
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• Substrate induced thermal decomposition of perfluoro-pentacene thin films on the coinage metals.
  Christian Schmidt, Tobias Breuer, Stefan Wippermann, Wolf Gero Schmidt, and Gregor Witte
  Journal of Physical Chemistry C 116 (45), 24098-24106 (2012)
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