什么是光电子能谱（Photoelectron Spectroscopy）？

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光电子能谱涉及检测电离事件后发射的光电子的动能。如果假定发射的光电子在电离后没有发生任何碰撞事件，那么检测到的电子的动能应该等于它被弹出的轨道的结合能。

关于结合能的信息使人们了解原子、分子或材料的电子结构，并可用于了解该物种如何与光或其他化学物种发生潜在的互动。光电子能谱已成为工业应用中的常规工具，并可能推进研究领域，包括二维材料和机器的剖析。

实施

一个典型的光电子能谱仪将由一个电离源、一个样品输送系统和一个检测器组成。一般来说，光电子能谱仪使用高真空条件，以确保发射的光电子不会因为与大气中的物种碰撞而损失任何能量。有些方法使用差分泵系统，在类似于现场的环境条件下对样品进行测量，这被称为环境压力X射线光电子能谱学。

电离源

光电子能谱中的电离源的特性是非常重要的，它决定了可以探测到什么样的化学信息。首先，电离源必须具有足够高的能量，以便能够从样品中喷射出光电子。许多稀有气体的电离能量在10eV以上，小的芳香族分子在9eV左右。要产生足够能量的光子以在单一步骤中电离目标，这可能是一个挑战。

发出21.2eV的氦(I)灯一直是光电子实验中受欢迎的电离源，但多光子电离方法也被证明是成功的。4 多光子电离依赖于对多个光子的吸收来引起电离，最好用强光源如激光系统来实现。

另一个替代的电离源是先进的光源，如同步加速器。对于静态光电子测量，同步加速器代表了一种理想的光源，因为它们具有高光子剂量、高能量可调谐性，以及可产生从紫外线到硬X射线系统的光子能量的来源。

在光电子能谱实验中改变入射光子的能量会改变可用的化学信息的类型。虽然用较低能量的可见光或紫外线光子获得的价带信息对于确定分子或材料的光学特性特别有用，但用于化学分析的电子光谱学（ESCA）依赖于需要X射线辐射的紧密结合的核心电子的电离。

ESCA和X射线光电子能谱能确定材料的化学成分，但也能提供关于元素的局部结合环境的信息。核心电子的结合能量是非常具体的元素。虽然确切的能量会因当地环境的不同而有小的变化，但能量通常足够具体，可以进行元素分析。这就是为什么ESCA现在是许多科学领域中普遍使用的方法，包括艺术保存和历史研究6。

检测器

光电子实验中使用的检测方案对于实现动能分辨率和确定电离事件的检测效率至关重要。许多光电子仪器使用飞行时间检测方案，即利用电子的飞行时间来确定其动能。有些方案使用电子成像来观察诸如光电子角度分布等观测数据，这可以提供关于光电子所射出的轨道性质的额外信息。

使用的典型探测器类型包括磁瓶、半球形分析器，以及用于成像的、耦合到成像板堆上的照相机。每种探测器都有其优点和缺点，探测器的最佳选择取决于所使用的样品类型、光子能量范围和所需的分辨率。例如，磁瓶具有出色的收集效率，半球形分析器可用于光谱和成像方法，通常具有出色的能量分辨率。

未来展望

虽然基于实验室和设施的光电子能谱学现在已经成为一种常规实验，但该领域仍有许多积极的发展。随着短脉冲激光系统和自由电子激光设施的日益普及，可以产生非常明亮的X射线脉冲，时间分辨的光电子测量正变得越来越普遍。这样的测量使得实时观察样品与电磁辐射相互作用时的过程成为可能。

挥发性液体在历史上给光电子测量带来了问题，因为它们与检测未受干扰电子的高真空要求不相容。然而，现在已经有了商业解决方案，可以在真空中形成液体射流，对表面和块状材料进行光电子研究9。

诸如高次谐波生成等技术使在实验室环境中获得更高能量的光子成为可能，通常仍具有出色的时间分辨率。它们也使新型的时间分辨光电子实验得以进行。

参考资料

Morgan, D. J. (2019). Imaging XPS for industrial applications. Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena, 231, 109–117. https://doi.org/10.1016/j.elspec.2017.12.008

Addou, R., & Wallace, R. M. (2019). Using photoelectron spectroscopy in the integration of 2D materials for advanced devices. Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena, 231, 94–103. https://doi.org/10.1016/j.elspec.2018.01.006

Arble, C., Jia, M., & Newberg, J. T. (2018). Lab-based ambient pressure X-ray photoelectron spectroscopy from past to present. Surface Science Reports, 73(2), 37–57. https://doi.org/10.1016/j.surfrep.2018.02.002

Anderson, S. L., Rider, D. M., & Zare, R. N. (1982). Multiphoton ionization photoelectron spectroscopy: a new method for determining vibrational structure of molecular ions. Chemical Physics Letters, 93(1), 11–15. https://doi.org/10.1016/0009-2614(82)85045-8

Suga, S., & Sekiyama, A. (2016). Photoelectron spectroscopy. Springer-Verlag Berlin An. https://doi.org/10.1007/978-3-030-64073-6

Pintori, G., & Cattaruzza, E. (2021). XPS/ESCA on glass surfaces: A useful tool for ancient and modern materials. Optical Materials: X, 100108. https://doi.org/10.1016/j.omx.2021.100108

Reid, K. L. (1998). Photoelectron Angular Distributions. Annual Review of Physical Chemistry, 2003(54), 397–424. http://dx.doi.org/10.1016/j.jaci.2012.05.050

Stolow, A., Bragg, A. E., & Neumark, D. M. (2004). Femtosecond time-resolved photoelectron spectroscopy. Chemical reviews, 104(4), 1719-1758. https://doi.org/10.1021/cr020683w

Buchner, F., Lübcke, A., Heine, N., & Schultz, T. (2010). Time-resolved photoelectron spectroscopy of liquids. Review of Scientific Instruments, 81(11), 113107. https://doi.org/10.1063/1.3499240

Written by Rebecca Ingle, Ph.D

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