Spectrométrie photoélectronique X

La spectrométrie photoélectronique X, ou spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X est une méthode physique d'analyse chimique mise au point à l'université d'Uppsala dans les années 1960, sous la direction de Kai Siegbahn, ce qui...



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La spectrométrie photoélectronique X, ou spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X (en anglais, X-Ray photœlectron spectrometry : XPS) est une méthode physique d'analyse chimique mise au point à l'université d'Uppsala (Suède) dans les années 1960, sous la direction de Kai Siegbahn, ce qui lui a valu le prix Nobel en 1981. La méthode était anciennement appelée ESCA (electron spectroscopy for chemical analysis : spectroscopie d'électron pour l'analyse chimique).

Principe

Principe de la spectrométrie photoélectronique par rayons X

L'échantillon est irradié par des rayons X monochromatiques qui provoquent l'ionisation de ses atomes par effet photoélectrique (voir l'article Interaction rayonnement-matière). L'énergie cinétique Ec de ces photoélectrons est mesurée, ce qui donne le spectre de l'intensité des électrons selon l'énergie mesurée.

Chaque photon X incident a la même énergie h·ν, puisque le faisceau est monochromatique (h étant la constante de Planck et ν la fréquence de l'onde lumineuse incidente). Lors de l'interaction avec l'atome, une partie de cette énergie permet de rompre la liaison, c'est l'énergie de liaison, EL ; le reste est transféré à l'électron sous la forme d'énergie cinétique.

Le spectre en énergie cinétique présente par conséquent des pics, et on peut déterminer l'énergie de liaison correspondant à chaque pic par la relation d'Einstein :

E_L = h \cdot v - E_c

EL = Énergie de liaison [J]
Ec = Énergie cinétique électronique [J]
h = Constante de Planck [J s] (∼6, 626 0 755×10-34)
v = Fréquence de radiation [s-1]


L'énergie du photon X incident est de l'ordre de grandeur de l'énergie d'ionisation des électrons de cœur : leur émission donne les pics XPS principalement caractéristiques, par conséquent, de la nature de l'atome ; tandis que l'information chimique (en particulier le degré d'oxydation) est tirée des petits déplacements du pic XPS correspondant à la variation d'énergie entre couches de valence, cette dernière (correspondant aux domaine de l'UV/visible/proche IR généralement) est faible devant celle des rayons X.

On a finalement accès à la composition chimique de la surface du matériau analysé sur une profondeur de 10 nanomètres à peu près, par comparaison avec des spectres connus. Des analyses semi-quantitatives peuvent être aussi extraites des spectres XPS normalisés en se basant sur l'intégrale des pics.

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