Spectrométrie photoélectronique X - Définition

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La spectrométrie photoélectronique X, ou spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X (en anglais, X-Ray photoemission spectrometry : XPS) est une méthode physique d'analyse chimique mise au point à l'université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) d'Uppsala (Suède) dans les années 1960, sous la direction de Kai Siegbahn (Kai Manne Börje Siegbahn (20 avril 1918 à Lund, Suède - 20 juillet 2007 à...), ce qui lui a valu le prix Nobel en 1981. La méthode était anciennement nommée ESCA (electron spectroscopy for chemical analysis : spectroscopie d'électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge...) pour analyse chimique).

Principe

L'échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou...) est irradié par des rayons X monochromatiques qui provoquent l'ionisation (L'ionisation est l'action qui consiste à enlever ou ajouter des charges à un atome ou une...) de ses atomes par effet photoélectrique (L'effet photoélectrique désigne l'ensemble des phénomènes électriques d'un matériau...) (voir l'article Interaction rayonnement-matière). L'énergie cinétique (L'énergie cinétique (aussi appelée dans les anciens écrits vis viva, ou force vive) est...) Ec de ces photoélectrons est mesurée, ce qui donne le spectre de l'intensité des électrons en fonction de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) mesurée.

Chaque photon (En physique des particules, le photon (souvent symbolisé par la lettre γ — gamma)...) X incident a la même énergie h·ν, puisque le faisceau est monochromatique (On qualifie de monochromatique (du grec mono-, un seul et chromos, couleur) une lumière dont la...) (h étant la constante de Planck (En physique, la constante de Planck, notée h, est une constante utilisée pour...) et ν la fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un...) de la radiation). Lors de l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) avec l'atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...), une partie de cette énergie sert à rompre la liaison, c'est l'énergie de liaison, EL ; le reste est transféré à l'électron sous la forme d'énergie cinétique (Le mot cinétique fait référence à la vitesse.).

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

Ec = h·ν − EL

L'énergie du photon X incident est de l'ordre de grandeur de l'énergie d'ionisation d'électrons de cœur : leur émission donne les pics XPS essentiellement caractéristiques, donc, de la nature de l'atome ; alors que l'information chimique (surtout le degré (Le mot degré a plusieurs significations, il est notamment employé dans les domaines...) 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 en général) est faible devant celle des rayons X.

On a finalement accès à la composition chimique de la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) du matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) analysé sur une profondeur de 10 nanomètre environ, par comparaison avec des spectres connus. Des analyses semi-quantitatives peuvent être également extraites des spectres XPS normalisés en se basant sur la surface des pics.

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