La microscopía electrónica de fotoemisión ( PEEM , también llamada microscopía fotoelectrónica , PEM ) es un tipo de microscopía electrónica que utiliza variaciones locales en la emisión de electrones para generar contraste de imagen. [ cita requerida ] La excitación generalmente se produce por luz ultravioleta , radiación de sincrotrón o fuentes de rayos X. PEEM mide el coeficiente indirectamente al recolectar los electrones secundarios emitidos generados en la cascada de electrones que sigue a la creación del agujero del núcleo primario en el proceso de absorción. PEEM es una técnica sensible a la superficie porque los electrones emitidos se originan en una capa superficial. En física, esta técnica se conoce como PEEM, que va de la mano naturalmente con la difracción de electrones de baja energía (LEED) y la microscopía electrónica de baja energía ( LEEM ). En biología, se llama microscopía fotoelectrónica (PEM), que encaja con la espectroscopia fotoelectrónica (PES), la microscopía electrónica de transmisión (TEM), [1] y la microscopía electrónica de barrido (SEM).
En 1933, Ernst Brüche publicó imágenes de cátodos iluminados con luz ultravioleta. Este trabajo fue ampliado por dos de sus colegas, H. Mahl y J. Pohl. Brüche hizo un boceto de su microscopio de emisión de fotoelectrones en su artículo de 1933 (Figura 1). [2] Este es evidentemente el primer microscopio de emisión de fotoelectrones (PEEM).
En 1963, Gertrude F. Rempfer diseñó la óptica electrónica para un microscopio electrónico de ultra alto vacío (UHV) de antaño. En 1965, G. Burroughs, del Laboratorio de Visión Nocturna de Fort Belvoir (Virginia), construyó las lentes electrostáticas horneables y las válvulas selladas con metal para el microscopio electrónico de ultra alto vacío (PEEM). Durante la década de 1960, tanto en el microscopio electrónico de ultra alto vacío (PEEM) como en el microscopio electrónico de transmisión ( TEM) , las muestras se conectaban a tierra y podían transferirse en el entorno de UHV a varias posiciones para la formación, el procesamiento y la observación de fotocátodos. Estos microscopios electrónicos se utilizaron solo durante un breve período de tiempo, pero los componentes siguen vivos. El primer PEEM disponible comercialmente fue diseñado y probado por Engel durante la década de 1960 para su trabajo de tesis bajo la dirección de E. Ruska y desarrollado hasta convertirse en un producto comercializable, llamado "Metioskop KE3", por Balzers en 1971. Las lentes electrónicas y el divisor de voltaje del PEEM se incorporaron en una versión de un PEEM para estudios biológicos en Eugene, Oregon alrededor de 1970.
Durante los años 1970 y 1980 se construyeron los microscopios de segunda generación (PEEM-2) y tercera generación (PEEM-3). El PEEM-2 es un instrumento convencional sin corrección de aberraciones que emplea lentes electrostáticas. Utiliza un dispositivo acoplado por carga (CCD) refrigerado acoplado por fibra a un fósforo para detectar la imagen electroóptica. El microscopio con corrección de aberraciones PEEM-3 emplea un espejo electrónico curvo para contrarrestar las aberraciones de orden más bajo de las lentes electrónicas y el campo de aceleración.
La fotoemisión o efecto fotoeléctrico es un fenómeno electrónico cuántico en el que los electrones (fotoelectrones) son emitidos desde la materia tras la absorción de energía de la radiación electromagnética como la luz UV o los rayos X.
Cuando la luz ultravioleta o los rayos X son absorbidos por la materia, los electrones se excitan desde los niveles centrales hacia estados desocupados, dejando estados centrales vacíos. Los electrones secundarios se generan por la desintegración del agujero central. Los procesos Auger y la dispersión inelástica de electrones crean una cascada de electrones de baja energía. Algunos electrones penetran la superficie de la muestra y escapan al vacío. Se emite un amplio espectro de electrones con energías entre la energía de la iluminación y la función de trabajo de la muestra. Esta amplia distribución de electrones es la principal fuente de aberración de la imagen en el microscopio.
Utilizando el método de Einstein, se utilizan las siguientes ecuaciones: energía del fotón = energía necesaria para retirar un electrón + energía cinética del electrón emitido
dónde
La microscopía por emisión de electrones es un tipo de microscopía electrónica en la que el haz de electrones que transporta información se origina en la muestra. La fuente de energía que provoca la emisión de electrones puede ser calor (emisión termoiónica), luz (emisión de fotoelectrones), iones o partículas neutras, pero normalmente excluye la emisión de campo y otros métodos que implican una fuente puntual o una microscopía de punta.
La obtención de imágenes fotoelectrónicas incluye cualquier forma de obtención de imágenes en la que la fuente de información es la distribución de puntos desde los que se expulsan electrones de la muestra por la acción de los fotones. La técnica con la mayor resolución de obtención de imágenes fotoelectrónicas actualmente es la microscopía de emisión fotoelectrónica con luz ultravioleta.
Un microscopio electrónico de fotoemisión es un instrumento de obtención de imágenes en paralelo. Crea en cualquier momento una imagen completa de la distribución de fotoelectrones emitidos desde la región de la superficie fotografiada.
El área de la muestra que se observa debe estar iluminada de manera homogénea con la radiación adecuada (desde rayos ultravioleta hasta rayos X duros). La luz ultravioleta es la radiación más común que se utiliza en PEEM porque hay fuentes muy brillantes disponibles, como las lámparas de mercurio . Sin embargo, se prefieren otras longitudes de onda (como los rayos X suaves) cuando se requiere información analítica.
La columna óptica electrónica contiene dos o más lentes electrónicas electrostáticas o magnéticas, elementos correctores como un estigmatizador y un deflector, y una apertura limitadora de ángulo en el plano retrofocal de una de las lentes.
Como en cualquier microscopio electrónico de emisión, el objetivo o lente catódica determina la resolución. Esta última depende de las cualidades electroópticas, como las aberraciones esféricas y la dispersión de energía de los electrones fotoemitidos. Los electrones se emiten al vacío con una distribución angular cercana a una función de coseno cuadrado. Un componente de velocidad significativo paralelo a la superficie disminuirá la resolución lateral. Los electrones más rápidos, que abandonan la superficie exactamente a lo largo de la línea central del PEEM, también influirán negativamente en la resolución debido a la aberración cromática de la lente catódica. La resolución es inversamente proporcional a la intensidad del campo de aceleración en la superficie, pero proporcional a la dispersión de energía de los electrones. Por lo tanto, la resolución r es aproximadamente:
En la ecuación, d es la distancia entre la muestra y el objetivo, ΔE es el ancho de distribución de las energías iniciales de los electrones y U es el voltaje de aceleración.
Además del cátodo o lente objetivo, situado en el lado izquierdo de la Figura 4, se utilizan dos lentes más para crear una imagen de la muestra: una lente intermedia de tres electrodos se utiliza para variar el aumento total entre 100× si la lente está desactivada y hasta 1000× cuando sea necesario. En el lado derecho de la Figura 4 se encuentra el proyector, una lente de tres electrodos combinada con una lente de desaceleración de dos elementos. La principal tarea de esta combinación de lentes es la desaceleración de los electrones rápidos de 20 keV a energías para las que la placa de canal tiene su mayor sensibilidad. Un intensificador de imágenes de este tipo tiene su mejor rendimiento para hacer incidir electrones con energías cinéticas de aproximadamente 1 keV.
Se puede añadir un filtro de energía al instrumento para seleccionar los electrones que contribuirán a la imagen. Esta opción se utiliza especialmente para aplicaciones analíticas del PEEM. Al utilizar un filtro de energía, un microscopio PEEM puede verse como un espectroscopia de fotoelectrones ultravioleta (UPS) o espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS). Al utilizar este método, se pueden adquirir espectros de fotoemisión con resolución espacial en la escala de 100 nm y con una resolución sub-eV. Con este instrumento, se pueden adquirir imágenes elementales con sensibilidad del estado químico o mapas de función de trabajo. Además, dado que los fotoelectrones se emiten solo en la superficie del material, se pueden adquirir mapas de terminación de superficie.
Se coloca un detector al final de la columna óptica de electrones. Por lo general, se utiliza una pantalla de fósforo para convertir la imagen del electrón en una imagen del fotón. La elección del tipo de fósforo depende de consideraciones de resolución. Un detector de placa multicanal cuya imagen se obtiene con una cámara CCD puede sustituir a la pantalla de fósforo.
En comparación con muchas otras técnicas de microscopía electrónica, la PEEM con resolución temporal ofrece una resolución temporal muy alta de solo unos pocos femtosegundos con perspectivas de avanzar hasta el régimen de attosegundos. La razón es que el ensanchamiento temporal del pulso electrónico no deteriora la resolución temporal porque los electrones solo se utilizan para lograr una alta resolución espacial. La resolución temporal se alcanza utilizando pulsos de luz muy cortos en una configuración de bombeo-sonda. Un primer pulso excita ópticamente la dinámica como los plasmones de superficie en una superficie de muestra y un segundo pulso sondea la dinámica después de un cierto tiempo de espera mediante la fotoemisión de electrones. La tasa de fotoemisión está influenciada por el nivel de excitación local de la muestra. Por lo tanto, se puede obtener información espacial sobre la dinámica de la muestra. Al repetir este experimento con una serie de tiempos de espera entre el pulso de bombeo y el pulso de sonda, se puede grabar una película de la dinámica de una muestra.
Los pulsos láser en el rango espectral visible se utilizan normalmente en combinación con un PEEM. Ofrecen una resolución temporal de unos pocos a 100 fs. En los últimos años, se han utilizado pulsos con longitudes de onda más cortas para lograr un acceso más directo a la excitación instantánea de los electrones en el material. Aquí, un primer pulso en el rango visible excita la dinámica cerca de la superficie de la muestra y un segundo pulso con una energía de fotón significativamente superior a la función de trabajo del material emite los electrones. Al emplear un registro adicional de tiempo de vuelo o de energía de paso alto en el PEEM, se puede extraer información sobre la distribución electrónica instantánea en una nanoestructura con una alta resolución espacial y temporal.
Los esfuerzos para lograr una resolución temporal de attosegundos y con ello registrar directamente los campos ópticos alrededor de nanoestructuras con una resolución espacio-temporal hasta ahora no alcanzada, aún continúan.
La limitación general de la PEEM, que es común a la mayoría de los métodos de ciencia de superficies, es que la PEEM opera solo en condiciones de vacío bastante restringidas. Siempre que se utilizan electrones para excitar una muestra o transportar información desde su superficie, tiene que haber un vacío con un camino libre medio apropiado para los electrones. Con las técnicas de PEEM in situ , se puede observar agua y solución acuosa mediante PEEM.
La resolución de PEEM está limitada a unos 10 nm, lo que resulta de una dispersión del ángulo de emisión de los fotoelectrones. La espectroscopia de fotoemisión con resolución angular ( ARPES ) es una herramienta poderosa para el análisis de estructuras. Sin embargo, puede resultar difícil realizar mediciones PEEM con resolución angular y selectivas en energía debido a la falta de intensidad. La disponibilidad de fuentes de luz de radiación de sincrotrón puede ofrecer posibilidades interesantes en este sentido.
Microscopía electrónica de transmisión ( MET ) y microscopía electrónica de barrido ( MEB ): la PEEM se diferencia de estas dos microscopías en que utiliza un campo de aceleración eléctrica en la superficie de la muestra. La muestra forma parte del sistema electrónico-óptico.
Microscopía electrónica de baja energía ( LEEM ) y microscopía electrónica de espejo (MEM): estas dos microscopías de emisión electrónica utilizan haces de suministro de cañones de electrones que se dirigen hacia la muestra, se desaceleran y se retrodispersan desde la muestra o se reflejan justo antes de llegar a la muestra. En la microscopía electrónica de fotoemisión (PEEM) se utilizan la misma geometría de muestra y lente de inmersión, pero se omiten los cañones de electrones.
La microscopía electrónica de fotoemisión resuelta en el tiempo (TR-PEEM) es muy adecuada para la observación en tiempo real de procesos rápidos en superficies equipadas con radiación sincrotrón pulsada para iluminación. [3] [4]
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