spacer spacer Go to Kaye and Laby Home spacer
spacer
spacer spacer spacer
spacer
spacer
spacer
spacer spacer

You are here:

spacer

Chapter: 4 Atomic and nuclear physics
    Section: 4.1 Electrons in atoms
        SubSection: 4.1.4 X-ray photoemission spectroscopy

spacer
spacer

spacer

« Previous Subsection

Next Section »


4.1.4    X-ray Photoemission spectroscopy

Interaction of a photon of energy with an electron in an atomic energy level of binding energy EB occurs by transfer of all the photon energy to the electron. If hv is greater than EB, a photoelectron is ejected from the atom with a kinetic energy given by

spacer

EKin = hvEB

(1)

When the atom forms part of a solid, there is a work function term to be subtracted from the right-hand side of (1), but it is comparatively small and nearly constant. Measured EKin values thus reflect the EB values directly, so that measurement of EKin provides elemental analysis.

In X-ray photoemission spectroscopy the two sources in most common use are magnesium and aluminium, the principal line energies used being the Kα1, 2, 1253.6 eV for magnesium and 1486.6 eV for aluminium. Since the kinetic energies of the photoelectrons will therefore be in the range 0–1500 eV, the paths of the electrons (see section 4.5.2) will be very short, and the photoelectrons must originate at, or very close to, the true surface if they are to escape and be measured. Like Auger spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy is thus a surface-specific technique.

The tables list the photoelectron kinetic energies expected for all elements from H to U, for Mg Kα, and for Al Kα, excitation, respectively, to the nearest electron-volt. Where the element exists as a pure elemental non-volatile solid, the values will correspond to that state with reasonable accuracy, but for other elements, particularly the non-metallic ones, the values must be regarded as approximate since shifts of several eV can occur between different states of chemical combination of an element. The reference point for all the values is a binding energy for the Au 4f7/2 level assumed to be 84.0 eV.

For further reading the reader is referred to the books by Briggs and Seah (1990) and Rivière (1990). The former gives details of high accuracy calibration values and the positions for different chemical states.

References

D. Briggs and M. P. Seah (1990) Practical Surface Analysis Vol 1: Auger and X-ray Photoelectron Spectroscopy, Wiley, Chichester.
J. C. Rivière (1990) Surface Analytical Techniques, University Press, Oxford.


Table 1

Photoelectron kinetic energies, to nearest electron-volt and referred to the binding energy Au 4f7/2 =84.0 eV, using Mg Kα excitation. The energy of the most intense photoelectron peak for each element is underlined.

  

 

1s

2s

2p1/2

2p3/2

3s

3p1/2

3p3/2

3d3/2

3d5/2

4s

4p1/2

4p3/2

4d3/2

4d5/2

4f5/2

4f7/2

5s

5p1/2

5p3/2

5d3/2

5d5/2

5f5/2

5f7/2

6s

6p1/2

6p3/2

6d3/2

6d5/2

      1

  H      .

  1239

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

      2

  He    .

  1228

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

      3

  Li     .

  1198

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

    

   

      4

  Be    .

  1141

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

    

   

      5

  B      .

  1064

   

1248 

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

    

   

      6

  C     .

    969

   

1246  

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

      7

  N     .

    854

   

1243  

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

      8

  O     .

    720

  1229

1245  

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

      9

  F     .

    567

  1221

1244  

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

    10

  Ne    .

    386

  1207

1234  

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

    11

  Na    .

    180

  1189

1221  

  1251

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

    12

  Mg    .

   

  1163

1201  

  1250

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

    13

  Al     .

   

  1135

  1179

  1180

  1251

1250

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

    14

  Si     .

   

  1104

  1152

  1153

  1244

1249

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

    15

  P      .

   

  1063

  1116

  1117

  1236

1242

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

    16

  S      .

   

  1023

  1087

  1088

  1236

1244

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

    17

  Cl

   

   982

  1051

  1052

  1235

1246

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

    18

  Ar    .

   

   932

  1005

  1007

  1227

1240

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

    19

  K     .

   

   875

    956

    959

  1219

1235

   

   

  1250

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

    20

  Ca   

   

   815

    902

    906

  1209

1227

   

   

  1247

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

    

   

    21

  Sc    .

   

   752

    846

    850

  1199

1220

1245

  1250

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

    22

  Ti    .

   

   689

    791

    797

  1192

1218

1249

  1249

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

    23

  V     .

   

   624

    732

    740

  1186

1215

1250

  1249

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

    24

  Cr    .

   

   558

    669

    678

  1178

1210

1250

  1249

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

    25

  Mn   .

   

   483

    600

    612

  1169

1204

1249

  1249

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

    26

  Fe    .

   

   406

    531

    544

  1160

1198

1249

  1249

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

    27

  Co    .

   

   327

    459

    474

  1152

1193

1250

  1248

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

    28

  Ni    .

   

   244

    381

    398

  1141

1184

1249

  1248

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

    29

  Cu    .

   

   156

    301

    321

  1133

1179

1251

  1250

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

    30

  Zn    .

   

     59

    210

    233

  1117

1166

1244

  1248

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

    31

  Ga    .

   

   

    110

    137

  1094

  1146

  1150

1235

   

1251

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

    32

  Ge    .

   

   

        5

      36

  1072

  1125

  1132

1224

   

1249

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

    33

  As    .

   

   

   

   

  1049

  1106

  1112

1211

   

1250

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

    34

  Se    .

   

   

   

   

  1021

  1084

  1091

1196

   

1247

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

    35

  Br    .

   

   

   

   

   996

  1063

  1071

  1182

  1183

  1225

  1247

  1248

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

    36

  Kr    .

   

   

   

   

   963

  1030

  1039

1164

  1228

1242