Ein Photoelektron ist ein Elektron, das aufgrund des photoelektrischen Effekts von einer Substanz emittiert wird. Der photoelektrische Effekt tritt auf, wenn ein normalerweise metallischer Werkstoff so viel Lichtstrahlung absorbiert, dass Elektronen aus seiner Oberfläche emittiert werden. Die Entdeckung des photoelektrischen Effekts wurde erstmals 1887 von Heinrich Hertz, einem deutschen Physiker, gemacht und später als Hertz-Effekt bezeichnet. Viele Forscher verbrachten im Laufe der Jahre Zeit damit, seine Eigenschaften zu definieren, und 1905 veröffentlichte Albert Einstein Erkenntnisse, dass es durch Lichtquanten, die als Photonen bekannt sind, verursacht wurde. Einsteins klare und elegante Erklärung der Herstellung von Photoelektronen führte dazu, dass er 1921 den Nobelpreis für Physik erhielt.
Damit Photoelektronen von einer Oberfläche emittiert werden können, muss die Lichtwellenlänge einen ausreichend niedrigen Wert haben, wie beispielsweise der von UV-Licht. Die Photoelektronenemission ist auch ein Schlüsselmerkmal, das bei der Beschreibung der Prinzipien der Quantenmechanik verwendet wird. Der Prozess beinhaltet, dass ein Quanten oder ein einzelnes Energiephoton von einem festen Material absorbiert wird, wenn die Energie des Photons größer ist als die Energie des oberen Valenzbandes oder der äußersten Elektronenhülle des Materials.
Photoelektronenspektroskopie ist ein Verfahren, bei dem die kinetische Energie von Photonen, die von einer Oberfläche emittiert werden, analysiert wird, um den Oberflächenbereich eines Probenmaterials zu untersuchen. Zwei Grundtypen des Verfahrens wurden verwendet. Röntgenspektroskopie untersucht Kernniveaus eines Materials unter Verwendung von Photonenenergiebereichen von 200 bis 2,000 Elektronenvolt, und ultraviolette Photoelektronenspektroskopie verwendet Photonenenergieniveaus zwischen 10 und 45 Elektronenvolt zum Untersuchen der äußeren Elektronen- oder Valenzschalen des Materials. Die neueste Synchrotron-Anlage, ein magnetisches Zyklotron, das Teilchen elektrostatisch beschleunigt, ermöglicht ab 2011 die Untersuchung von Energiebereichen zwischen 5 und über 5,000 Elektronenvolt, sodass separate Forschungsgeräte nicht mehr erforderlich sind. Diese Maschinen sind jedoch teuer und komplex, so dass sie auf dem Gebiet nicht weit verbreitet sind.
Ab 2011 wurde eine Photoelektronenspektrometerausrüstung mit einem Elektronendetektor entwickelt, der im Freien und bei Atmosphärendruck betrieben werden kann, was auf diesem Gebiet neu ist. Es ist in der Lage, die Dicke von dünnen Filmen bis auf 20 Nanometer oder 20 Milliardstel Meter zu messen. Die Maschinen sind Desktop-Modelle, die eine ultraviolette Lichtquelle verwenden und in einem Bereich von 3.4 bis 6.2 Elektronenvolt arbeiten können. Mit ihnen werden sowohl Metalle als auch Halbleiter wie Silizium analysiert.