Fotoelektronas yra elektronas, kurį išskiria medžiaga dėl fotoelektrinio efekto. Fotoelektrinis efektas atsiranda, kai medžiaga, kuri paprastai yra metalinė, sugeria pakankamai šviesos spinduliuotės, todėl nuo jos paviršiaus išsiskiria elektronai. Pirmą kartą fotoelektrinį efektą 1887 m. atrado vokiečių fizikas Heinrichas Hertzas, o vėliau jis buvo pavadintas Herco efektu. Daugelis tyrinėtojų daug laiko praleido apibrėždami jo savybes, o 1905 m. Albertas Einšteinas paskelbė išvadas, kad tai sukėlė šviesos kvantai, žinomi kaip fotonai. Aiškus ir elegantiškas Einšteino paaiškinimas, kaip buvo gaminami fotoelektronai, lėmė, kad 1921 m. jis laimėjo Nobelio fizikos premiją.
Kad fotoelektronai būtų išspinduliuoti iš paviršiaus, šviesos bangos ilgis turi būti pakankamai mažas, pavyzdžiui, UV šviesos. Fotoelektronų emisija taip pat yra pagrindinė savybė, naudojama aprašant kvantinės mechanikos principus. Procesas apima kvantą arba vieną energijos fotoną, sugeriantį kietoje medžiagoje, jei fotono energija yra didesnė už viršutinės valentinės juostos arba medžiagos atokiausio elektroninio apvalkalo energiją.
Fotoelektroninė spektroskopija yra procesas, kurio metu iš paviršiaus išspinduliuojamų fotonų kinetinė energija analizuojama, siekiant ištirti mėginio medžiagos paviršiaus sritį. Buvo naudojami du pagrindiniai proceso tipai. Rentgeno spindulių spektroskopija tiria medžiagos šerdies lygius, naudojant fotonų energijos diapazonus nuo 200 iki 2,000 elektronų voltų, o ultravioletinių spindulių fotoelektronų spektroskopija naudoja fotonų energijos lygius nuo 10 iki 45 elektronų voltų, kad būtų galima ištirti medžiagos išorinius elektronus arba valentinius apvalkalus. Nuo 2011 m. naujausia sinchrotroninė įranga, kuri yra magnetinis ciklotronas, elektrostatiškai greitinantis daleles, leidžia tirti energijos diapazonus nuo 5 iki daugiau nei 5,000 elektronų voltų, todėl atskiros tyrimų įrangos nebereikia. Tačiau šios mašinos yra brangios ir sudėtingos, todėl jos nėra plačiai naudojamos šioje srityje.
Nuo 2011 m. buvo sukurta fotoelektronų spektrometro įranga su elektronų detektoriumi, galinčiu veikti atvirame ore ir esant atmosferos slėgiui, o tai yra naujiena šioje srityje. Jis gali išmatuoti plonų plėvelių storį iki 20 nanometrų arba 20 milijardų metro dalių. Mašinos yra staliniai modeliai, kuriuose naudojamas ultravioletinės šviesos šaltinis ir gali veikti nuo 3.4 iki 6.2 elektronų voltų. Jie naudojami analizuojant metalus ir puslaidininkius, tokius kaip silicis.