La radiación ultravioleta extrema ( EUV o XUV ) o radiación ultravioleta de alta energía es radiación electromagnética en la parte del espectro electromagnético que abarca longitudes de onda más cortas que la línea Lyman-alfa del hidrógeno desde 121 nm hasta la banda de rayos X de 10 nm, y por lo tanto (según la ecuación de Planck-Einstein ) que tiene fotones con energías desde 10,26 eV hasta 124,24 eV. El EUV es generado naturalmente por la corona solar y artificialmente por plasma , fuentes de alta generación de armónicos y fuentes de luz de sincrotrón . Dado que la UVC se extiende hasta 100 nm, existe cierta superposición en los términos.
Los principales usos de la radiación ultravioleta extrema son la espectroscopia fotoelectrónica , la obtención de imágenes solares y la litografía . En el aire , el EUV es el componente más absorbido del espectro electromagnético y requiere un alto vacío para su transmisión.
Los átomos neutros o la materia condensada no tienen transiciones de energía lo suficientemente grandes como para emitir radiación EUV. Primero debe tener lugar la ionización . La luz EUV sólo puede ser emitida por electrones unidos a iones positivos multicargados; por ejemplo, para eliminar un electrón de un ion de carbono con carga +3 (tres electrones ya eliminados) se requieren aproximadamente 65 eV . [1] Estos electrones están más estrechamente unidos que los electrones de valencia típicos . La existencia de iones positivos multicargados sólo es posible en un plasma denso y caliente . Alternativamente, los electrones e iones libres pueden generarse temporal e instantáneamente mediante el intenso campo eléctrico de un rayo láser de muy altos armónicos . Los electrones se aceleran a medida que regresan al ion original, liberando fotones de mayor energía a intensidades menores, que pueden estar en el rango EUV. Si los fotones liberados constituyen radiación ionizante , también ionizarán los átomos del medio generador de armónicos , agotando las fuentes de generación de armónicos superiores. Los electrones liberados escapan porque el campo eléctrico de la luz EUV no es lo suficientemente intenso como para conducir a los electrones a armónicos más altos, mientras que los iones originales ya no se ionizan tan fácilmente como los átomos originalmente neutros. Por tanto, los procesos de generación y absorción de EUV (ionización) compiten fuertemente entre sí.
Sin embargo, en 2011, Shambhu Ghimire et al. Se observó por primera vez una generación de altos armónicos en cristales a granel de óxido de zinc . Resulta interesante invertir la posibilidad y el mecanismo de HHG en estado sólido. La radiación EUV se puede emitir en dióxido de silicio o zafiro .
La luz EUV también puede ser emitida por electrones libres que orbitan alrededor de un sincrotrón .
La luz EUV de banda estrecha continuamente sintonizable se puede generar mediante la mezcla de cuatro ondas en celdas de gas de criptón e hidrógeno a longitudes de onda tan bajas como 110 nm. [2] En cámaras de gas sin ventanas se ha observado una mezcla fija de cuatro ondas de hasta 75 nm.
Cuando se absorbe un fotón EUV, se generan fotoelectrones y electrones secundarios por ionización , de forma muy similar a lo que sucede cuando la materia absorbe rayos X o haces de electrones. [3]
La respuesta de la materia a la radiación EUV se puede capturar en las siguientes ecuaciones:
Punto de absorción:
Energía del fotón EUV = 92 eV, = Energía de enlace del electrón + energía cinética inicial del fotoelectrón
Dentro de 3 caminos libres medios de fotoelectrones (1–2 nm):
Reducción de la energía cinética del fotoelectrón = potencial de ionización + energía cinética del electrón secundario;
Dentro de 3 caminos libres medios de electrón secundario (~30 nm):
Posteriormente, el fotoelectrón provoca la emisión de electrones secundarios mediante el proceso de ionización por impacto . A veces también es posible una transición Auger , que da como resultado la emisión de dos electrones con la absorción de un solo fotón.
Estrictamente hablando, los fotoelectrones, los electrones Auger y los electrones secundarios van acompañados de agujeros cargados positivamente (iones que pueden neutralizarse extrayendo electrones de moléculas cercanas) para preservar la neutralidad de la carga. Un par electrón-hueco a menudo se denomina excitón . Para electrones altamente energéticos, la separación electrón-hueco puede ser bastante grande y la energía de enlace es correspondientemente baja, pero a energías más bajas, el electrón y el hueco pueden estar más cerca uno del otro. El propio excitón se difunde a una distancia bastante grande (>10 nm). [4] Como su nombre lo indica, un excitón es un estado excitado; sólo cuando desaparece cuando el electrón y el hueco se recombinan, se pueden formar productos de reacción química estables.
Dado que la profundidad de absorción de los fotones excede la profundidad de escape de los electrones, a medida que los electrones liberados eventualmente disminuyen su velocidad, finalmente disipan su energía en forma de calor. Las longitudes de onda EUV se absorben mucho más fuertemente que las longitudes de onda más largas, ya que sus energías fotónicas correspondientes exceden las bandas prohibidas de todos los materiales. En consecuencia, su eficiencia de calentamiento es significativamente mayor y se ha caracterizado por umbrales de ablación térmica más bajos en materiales dieléctricos. [5]
Ciertas longitudes de onda de EUV varían hasta en un factor de 50 entre mínimos y máximos solares , [6] lo que puede contribuir al calentamiento estratosférico y la producción de ozono . Estos, a su vez, pueden afectar la circulación atmosférica y los patrones climáticos durante ciclos solares de corto y largo plazo. [6]
Al igual que otras formas de radiación ionizante , los EUV y los electrones liberados directa o indirectamente por la radiación EUV son una fuente probable de daños al dispositivo . Los daños pueden resultar de la desorción del óxido [7] o de la carga atrapada después de la ionización. [8] El daño también puede ocurrir a través de una carga positiva indefinida por el efecto Malter . Si los electrones libres no pueden regresar para neutralizar la carga positiva neta, la desorción de iones positivos [9] es la única forma de restaurar la neutralidad. Sin embargo, la desorción significa esencialmente que la superficie se degrada durante la exposición y, además, los átomos desorbidos contaminan cualquier óptica expuesta. El daño del EUV ya ha sido documentado en el envejecimiento por radiación CCD del Extreme UV Imaging Telescope (EIT). [10]
El daño por radiación es un problema bien conocido que se ha estudiado en el proceso de daño por procesamiento de plasma. Un estudio reciente del Sincrotrón de la Universidad de Wisconsin indicó que las longitudes de onda por debajo de 200 nm son capaces de generar cargas superficiales mensurables. [11] La radiación EUV mostró una carga positiva a centímetros más allá de los límites de exposición, mientras que la radiación VUV (ultravioleta de vacío) mostró una carga positiva dentro de los límites de exposición.
Los estudios que utilizaron pulsos de femtosegundos EUV en el láser de electrones libres de Hamburgo ( FLASH ) indicaron umbrales de daño inducido por fusión térmica inferiores a 100 mJ/cm 2 . [12]
Un estudio anterior [13] demostró que los electrones producidos por la radiación ionizante "suave" aún podían penetrar ~100 nm por debajo de la superficie, lo que provocaba calentamiento.
Medios relacionados con el ultravioleta extremo en Wikimedia Commons