Un fotoelectrón es un electrón emitido por una sustancia debido al efecto fotoeléctrico. El efecto fotoeléctrico se produce cuando un material que suele ser de naturaleza metálica absorbe suficiente radiación lumínica para que esto dé lugar a la emisión de electrones desde su superficie. El descubrimiento del efecto fotoeléctrico fue realizado por primera vez en 1887 por Heinrich Hertz, un físico alemán, y posteriormente recibió el nombre de efecto Hertz. Muchos investigadores dedicaron tiempo a definir sus propiedades a lo largo de los años y, en 1905, Albert Einstein publicó hallazgos de que era causado por cuantos de luz conocidos como fotones. La clara y elegante explicación de Einstein de cómo se producían los fotoelectrones resultó en que ganara el Premio Nobel de Física en 1921.
Para que se emitan fotoelectrones desde una superficie, la longitud de onda de la luz debe ser de un valor suficientemente bajo, como el de la luz ultravioleta. La emisión de fotoelectrones también es una característica clave que se utiliza para describir los principios de la mecánica cuántica. El proceso implica un quanta, o fotón único de energía que es absorbido por un material sólido si la energía del fotón es mayor que la energía de la banda de valencia superior o capa de electrones más externa del material.
La espectroscopia de fotoelectrones es un proceso en el que se analiza la energía cinética de los fotones emitidos desde una superficie para estudiar la región de la superficie de un material de muestra. Se han utilizado dos tipos básicos de proceso. La espectroscopia de rayos X estudia los niveles centrales de un material utilizando rangos de energía de fotones de 200 a 2,000 electronvoltios, y la espectroscopia de fotoelectrones ultravioleta utiliza niveles de energía de fotones de entre 10 y 45 electronvoltios para estudiar los electrones externos o capas de valencia del material. A partir de 2011, el último equipo de sincrotrón, que es un ciclotrón magnético que acelera electrostáticamente las partículas, permite el estudio de rangos de energía entre 5 y más de 5,000 electronvoltios, por lo que ya no es necesario un equipo de investigación independiente. Sin embargo, estas máquinas son caras y complejas, por lo que no se utilizan ampliamente en el campo.
A partir de 2011, se ha desarrollado un equipo de espectrómetro de fotoelectrones con un detector de electrones que puede operar al aire libre y a presión atmosférica, lo cual es nuevo en el campo. Es capaz de medir el espesor de películas delgadas hasta niveles tan finos como 20 nanómetros, o 20 mil millonésimas de metro. Las máquinas son modelos de escritorio que usan una fuente de luz ultravioleta y pueden operar en un rango de 3.4 a 6.2 electronvoltios. Se utilizan para analizar tanto metales como semiconductores como el silicio.