전자의 들뜸, 전자는 어떻게 튀어나오게 되는지 - XPS

 

 

 

 전자의 들뜸, 자유전자

 

오비탈 속에 안정적으로 위치하던 전자에 일정량 이상의 에너지가 가해지면 에너지를 얻은 전자가 원자로부터 멀리까지 나갈 수 있는 힘을 얻습니다. 그러면서 들뜬 상태가 되고, 원자의 영향을 받지 않는 자유로운 상태까지 올라갈 수 있습니다.

 

- 2가지 전자가 튀어나온다.

- 튀어나온 전자의 운동에너지를 통해서

- 비탄성적 평균 자유 행로 (전자가 튀어 나올 수 있는 최대 깊이)

 

 2가지 전자가 튀어나온다.

 

외부에너지로 인한 전자의 튀어나옴에는 2가지 전자로 분류합니다.

 

우선 이 글은 XPS의 참고용으로 작성중이기에, 외부 에너지를 빛 에너지 중 X선에 의한 에너지로 가정하겠습니다.

- Photoelectrons: X-ray에 의해 튀어나오는 전자

- Auger electron(오제 전자): X-ray나 X-ray에 의해 튀어나오는 전자가 때려서 나오는 전자, 혹은 원자에 가까운 전자가 튀어나가며 그 빈공간을 외각의 전자가 차지하고 그로 인한 에너지 방출에 의해 튀어나오는 전자

Auger electron: K 빼고, L2가 내려오고(L), L3가 빠지고(L) = KLL or KL2L3 transition

x선이 목표지점에 가면서 다른 에너지 준위가 낮은 전자들도 때리면서 지나간다. 그러면서 그 전자들도 튀어나오고, 표면에 변화가 있다. 그리고 다른 전자들과의 충돌로 에너지를 잃기 때문에 최종적으로 튀어나오는 목표 전자의 운동에너지가 생각보다 아주 작다.

 

 

 튀어나온 전자의 운동에너지를 통해서

 

XPS에서는 튀어나온 전자의 운동에너지를 통해서 샘플 속에 어떤 원소가 있는지, 어떤 결합이 있는지를 해석합니다.

 

EK=hv-EB-φ,  EK: 전자의 운동에너지, hv: 엑스선의 에너지, EB: 방출된 광전자의 결합 에너지, φ: 기기 고유의 일 함수

즉, 전자의 결합에너지(binding energy) 및 일함수(work function)를 뛰어 넘을 수 있는 운동에너지가 필요하다.

원자의 힘이 작용하는 valence band 이상의 에너지를 얻으면 fermi level을 넘어 전자가 들뜬 상태(conduction band)가 되고, 그 이상의 에너지를 얻으면 자유로운 상태가 된다.

 

Photoelectron effect

KE = kinetic energy of photoelectron, 장치로 측정하는 값이고, surface sensitivity를 알 수 있다.

hn = Energy of X-ray photon, AlKa = 1486.6 eV, MgKa = 1253.6 eV

BE = Binding energy of photoelectron, 우리가 알고자 하는 값, qualitative chemical information

φ = Work function

결합 에너지는 원자핵과 전자 간의 인력, 즉 원자핵의 양성자의 개수와 그간의 거리에 의해 결정되기 때문에 이는 각 원소의 고유한 특징이다. 원소결합에서 다양한 화학 결합 상태에 따라 각 원소들의 결합 에너지가 미묘하게 변화하기 때문에 특정 원소의 결합 상태를 분석하는 방법 또한 가능하다.

 

 

 비탄성적 평균 자유 행로(inelastic mean free path, λ)

 

전자의 특성을 설명하는 물리량이다.

전자가 시료 안을 병진 운동할 때 다른 전자와 비탄성 충돌을 하기 위하여 이동하는 평균 경로로, 이는 매질의 종류와 발생한 광전자의 운동 에너지에 따라 달라지게 된다.

95% 이상의 전자는 3ℷ  이내의 거리에서 비탄성충돌을 경험하며 에너지를 잃게 된다. 따라서 유효 탈출 깊이는 3ℷ 라고 할 수 있으며, 유효 탈출 깊이 이상의 깊이에서 탈출되는 전자는 표면까지 도달하지 못하고 에너지를 잃어버리게 된다. 물론 그렇게 되면 측정이 되지 않는다. 따라서 일반적인 방식으로는 3ℷ 의 깊이까지만 측정이 가능하며, 고분자 박막의 경우 약 10nm 정도이다.

이를 극복하기 위해 에칭을 이용한 수직 분포 분석법을 수행한다.

 

 

 

참고

 

 

2020/04/17 - [분류 전체보기] - XPS, 광전자 분광법

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2020/04/03 - [정리, 공부해요/전기, 전자, 통신] - X-ray, 다른 파장들과의 차이, 어디에 사용되나

X-ray, 다른 파장들과의 차이, 어디에 사용되나