Un fotoelectron este un electron emis de o substanță datorită efectului fotoelectric. Efectul fotoelectric apare atunci când un material care este de obicei metalic în natură absoarbe suficientă radiație luminoasă, astfel încât aceasta are ca rezultat emisia de electroni de pe suprafața sa. Descoperirea efectului fotoelectric a fost făcută pentru prima dată în 1887 de către Heinrich Hertz, un fizician german, iar ulterior a fost numit efectul Hertz. Mulți cercetători au petrecut timp definindu-i proprietățile de-a lungul anilor și, în 1905, Albert Einstein a publicat descoperiri conform cărora a fost cauzată de cuante de lumină cunoscute sub numele de fotoni. Explicația clară și elegantă a lui Einstein despre modul în care au fost produși fotoelectronii a dus la câștigarea Premiului Nobel pentru fizică în 1921.
Pentru ca fotoelectronii să fie emiși de pe o suprafață, lungimea de undă a luminii trebuie să fie de o valoare suficient de mică, cum ar fi cea a luminii UV. Emisia de fotoelectroni este, de asemenea, o caracteristică cheie care este utilizată în descrierea principiilor mecanicii cuantice. Procesul implică o quantă sau un singur foton de energie care este absorbit de un material solid dacă energia fotonului este mai mare decât energia benzii de valență superioare sau învelișul de electroni cel mai exterior al materialului.
Spectroscopia fotoelectronilor este un proces în care energia cinetică a fotonilor emiși de pe o suprafață este analizată pentru a studia regiunea de suprafață a unui material eșantion. Au fost utilizate două tipuri de bază ale procesului. Spectroscopia cu raze X studiază nivelurile de bază ale unui material utilizând intervale de energie fotonică de 200 până la 2,000 de electroni volți, iar spectroscopia fotoelectronilor ultravioleți utilizează niveluri de energie fotonică între 10 și 45 de electroni volți pentru studiul electronilor exterioare sau a învelișurilor de valență ale materialului. Începând cu 2011, cel mai recent echipament sincrotron, care este un ciclotron magnetic care accelerează electrostatic particulele, permite studiul intervalelor de energie între 5 și peste 5,000 de electroni volți, astfel încât echipamentele separate de cercetare nu mai sunt necesare. Aceste mașini sunt însă scumpe și complexe, deci nu sunt utilizate pe scară largă în domeniu.
Începând cu 2011, echipamentul spectrometrului fotoelectronilor a fost dezvoltat cu un detector de electroni care poate funcționa în aer liber și la presiune atmosferică, ceea ce este nou în domeniu. Este capabil să măsoare grosimea peliculelor subțiri până la niveluri de până la 20 de nanometri sau 20 de miliarde de metru. Aparatele sunt modele desktop care folosesc o sursă de lumină ultravioletă și pot funcționa într-un interval de la 3.4 la 6.2 electroni volți. Ele sunt folosite pentru a analiza atât metale, cât și semiconductori, cum ar fi siliciul.