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Oberflächenanalytik mit Photoelektronenspektroskopie (XPS)

XPS
Abb. 1: Röntgen-Photoelektronen Spektrometer (XPS) am INE (ULVAC-PHI, Modell VersaProbe II)

Die oberflächenempfindliche XPS angewandt auf radioaktive Materialien ermöglicht Einblicke in die chemische Zusammensetzung von Oberflächen und Grenzflächen die für die Endlagersicherheitsforschung von Bedeutung sind. Beispiele sind die Wechselwirkung gelöster Radionuklide mit Oberflächen von Korrosionsprodukten, Grundwasserkolloide und Mineralphasen durch Sorption oder Einbau.

Chemische Reaktionen eines Festkörpers mit seiner Umgebung finden an seiner Oberfläche statt, die sich deshalb in ihrer chemischen Zusammensetzung von derjenigen im Festkörperinneren unterscheidet. Die Dicke dieser Oberflächenschicht bewegt sich im Bereich atomarer Abstände bis zu einigen Nanometern. Die Kenntnis der Eigenschaften der Oberflächenschicht ist für das Verständnis der dort ablaufenden chemischen Prozesse wesentlich. Hier liefert die Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) als oberflächenempfindliche Methode wichtige Beiträge über elementare Zusammensetzung, Valenz und chemische Bindungszustände.

Bei der XPS wird die Festkörperoberfläche einer Probe mit weichem Röntgenlicht bestrahlt und Photoelektronen erzeugt. Die Energie der Photoelektronen wird gemessen und entspricht im Wesentlichen der Differenz zwischen Röntgenenergie und Bindungsenergie der Elektronen in den atomaren Elektronenniveaus aus denen sie stammen, charakteristisch für jedes Element. Anhand der gemessenen Energien und Intensitäten der Photoelektronen lassen sich die Elemente und ihre relative Häufigkeiten bestimmen.

Chemische Bindungen bewirken eine kleine Änderung der Energie der Elektronenniveaus, die als "chemische Verschiebung" der Photoelektronenenergie mit hochaufgelöster XPS gemessen werden kann. Aus dem Vergleich mit bekannten chemischen Verbindungen können Rückschlüsse auf die chemischen Bindungszustände auf der Probenoberfläche gezogen werden.

 

 

Ansprechpartner: Dieter Schild

 

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