Characterisation of Surface Properties, Adsorbates and Functional Groups on Polycrystalline Oxides by Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy (UPS)

Ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS), which is known as a powerful technique in the surface science of single crystals, loses much of its analytical potential when applied to rough, non-ordered complex surfaces of real materials. The paper discusses the question if there are relevant applications of UPS in the analysis of real complex oxide surfaces. It is shown that this technique provides high surface sensitivity combined with chemical sensitivity, which allows to differentiate compounds and adsorbates on surfaces. It is described how UPS contributed to an investigation of depth profiles of the reduction degree in partly reduced V2O5. Studies of oxide segregation on mixed-oxide surfaces (Bi-Mo-O, Ca-Ce-O) and on titania-supported oxides (MoO3, V2O5) and of adsorbates and functional groups (H2O, OH, CO2) on Ca-Ce-O mixed-oxide surfaces are reported. It is demonstrated that UPS is a highly useful complementary technique in surface-analytical studies performed with X-ray photoelectron spectroscopy and Ion scattering spectroscopy. Its application is, however, limited by its high sensitivity to surface charging, which requires to measure spectra at elevated temperatures and excludes wide bandgap insulators. Charakterisierung von Oberflächeneigenschaften, Adsorbaten und funktioneller Oberflächengruppen an polykristallinen Oxiden durch Ultraviolett-Photoelektronenspektroskopie (UPS) Ultraviolett-Photoelektronenspektroskopie ist eine wichtige Oberflächenanalysenmethode im Bereich der Oberflächenwissenschaften. Bei Anwendung auf ungeordnete, unebene, komplexe Oberflächen realer Materialien verliert sie einen Großteil ihrer Aussagekraft. Im Beitrag wird diskutiert, ob UPS auch bei realen komplexen Oxidoberflächen ein attraktives analytisches Potenzial besitzt. Es wird gezeigt, dass UPS hoch oberflächenempfindlich ist und auf chemische Strukturen reagiert, wodurch chemische Verbindungen und funktionelle Gruppen auf Oberflächen differenziert werden können. Es wird beschrieben, wie UPS zur Untersuchung der Veränderungen des Reduktionsgrades mit dem Abstand zur Oberfläche in partiell reduzierten V2O5 beitrug, Studien zur Segregation von Oxidphasen auf Mischoxidoberflächen (Bi-Mo-O, Ca-Ce-O) und auf Titanoxid-Trägerkatalysatoren (Aktivkomponenten MoO3, V2O5) sowie zur Charakterisierung von Adsorbaten und funktionellen Gruppen (H2O, OH, CO2) auf Ca-Ce-O-Mischoxidoberflächen werden dargestellt. UPS erweist sich als eine wichtige Komplementärmethode in oberflächenanalytischen Studien, die üblicherweise mit Röntgen-Photoelektronenspektroskopie oder Ionenstreuspektroskopie durchgeführt werden. Ihre Anwendung ist jedoch durch ihre hohe Anfälligkeit gegen Aufladung der Probenoberfläche begrenzt: Dies verlangt in vielen Fällen die Aufnahme der Spektren bei hohen Probentemperaturen und schließt das Studium von Isolatoren mit großen Bandlücken aus.