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 necesaria ] La excitación generalmente se produce mediante luz ultravioleta , radiación 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 poco profunda. En física, esta técnica se conoce como PEEM, y va de forma natural 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 uno de los primeros PEEM de vacío ultraalto (UHV). En 1965, G. Burroughs en el Laboratorio de Visión Nocturna de Fort Belvoir, Virginia, construyó lentes electrostáticas horneables y válvulas selladas con metal para PEEM. Durante la década de 1960, en el PEEM, así como en el TEM , las muestras estaban conectadas a tierra y podían transferirse en el entorno UHV a varias posiciones para la formación, el procesamiento y la observación del fotocátodo. Estos microscopios electrónicos se utilizaron sólo 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 con E. Ruska y lo desarrolló hasta convertirlo en un producto comercializable, llamado "Metioskop KE3", por Balzers en 1971. Las lentes electrónicas y el divisor de voltaje del Los PEEM se incorporaron a una versión de PEEM para estudios biológicos en Eugene, Oregon, alrededor de 1970.
Durante las décadas de 1970 y 1980 se construyeron los microscopios de segunda generación (PEEM-2) y tercera generación (PEEM-3). PEEM-2 es un instrumento convencional sin corrección de aberraciones que emplea lentes electrostáticas. Utiliza un dispositivo de carga acoplada (CCD) enfriado acoplado a fibra a un fósforo para detectar la imagen electrónica-óptica. 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 se emiten electrones (fotoelectrones) de la materia tras la absorción de energía de la radiación electromagnética como la luz ultravioleta o los rayos X.
Cuando la materia absorbe la luz ultravioleta o los rayos X, los electrones se excitan desde los niveles del núcleo a estados desocupados, dejando estados del núcleo vacíos. Los electrones secundarios se generan por la desintegración del agujero del núcleo. 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 eliminar un electrón + Energía cinética del electrón emitido
h es la constante de Planck;
f es la frecuencia del fotón incidente;
f 0 es la frecuencia umbral para que se produzca el efecto fotoeléctrico;
m es la masa en reposo del electrón expulsado;
v m es la velocidad del electrón expulsado.
La microscopía de emisión electrónica 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 causa 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 involucran una fuente puntual o 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 cuales los electrones son expulsados de la muestra por la acción de los fotones. La técnica con mayor resolución de imágenes fotoelectrónicas es actualmente la microscopía de emisión fotoelectrónica utilizando luz ultravioleta.
Un microscopio electrónico de fotoemisión es un instrumento de obtención de imágenes paralelas. Crea en cualquier momento dado una imagen completa de la distribución de fotoelectrones emitidos desde la región de la superficie de la imagen.
La zona observada de la muestra debe iluminarse de forma homogénea con la radiación adecuada (desde UV hasta rayos X duros). La luz ultravioleta es la radiación más común utilizada 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 de electrones contiene dos o más lentes de electrones electrostáticas o magnéticas, elementos correctores como un estigma y un deflector, y una abertura que limita el ángulo en el plano retrofocal de una de las lentes.
Como en cualquier microscopio electrónico de emisión, la lente objetivo o catódica determina la resolución. Esto último depende de las cualidades ópticas de los electrones, como las aberraciones esféricas, y de la dispersión de energía de los electrones fotoemitidos. Los electrones se emiten al vacío con una distribución angular cercana a una función 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. Entonces 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: se usa una lente intermedia de tres electrodos para variar el aumento total entre 100× si la lente es desactivado y hasta 1000× cuando sea necesario. En el lado derecho de la Figura 4 está el proyector, una lente de tres electrodos combinada con una lente de desaceleración de dos elementos. La tarea principal de esta combinación de lentes es la desaceleración de los electrones rápidos de 20 keV a energías para las cuales la placa de canal tiene su mayor sensibilidad. Un intensificador de imágenes de este tipo tiene su mejor rendimiento al impactar electrones con energías cinéticas de aproximadamente 1 keV.
Se puede agregar un filtro de energía al instrumento para seleccionar los electrones que contribuirán a la imagen. Esta opción se utiliza particularmente para aplicaciones analíticas del PEEM. Al utilizar un filtro de energía, un microscopio PEEM puede verse como una espectroscopia de fotoelectrones ultravioleta (UPS) o una espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS). Al utilizar este método, se pueden adquirir espectros de fotoemisión resueltos espacialmente con resoluciones espaciales en la escala de 100 nm y con resolución sub-eV. Utilizando dicho instrumento, se pueden adquirir imágenes elementales con sensibilidad de estados químicos o mapas de funciones de trabajo. Además, dado que los fotoelectrones se emiten sólo en la superficie misma 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 se rige por consideraciones de resolución. Un detector de placas multicanal del que se obtienen imágenes mediante una cámara CCD puede sustituir la pantalla de fósforo.
En comparación con muchas otras técnicas de microscopía electrónica, PEEM de resolución temporal ofrece una resolución temporal muy alta de sólo unos pocos femtosegundos con perspectivas de avanzar al régimen de attosegundos. La razón es que la ampliación temporal del pulso de electrones no deteriora la resolución temporal porque los electrones sólo se utilizan para lograr una alta resolución espacial. La resolución temporal se alcanza mediante el uso de pulsos de luz muy cortos en una configuración de bomba-sonda. Un primer pulso excita ópticamente la dinámica como los plasmones superficiales en la superficie de una muestra y un segundo pulso explora la dinámica después de un cierto tiempo de espera mediante electrones fotoemisores. La tasa de fotoemisión está influenciada por el nivel de excitación local de la muestra. Por 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 la bomba y el de la sonda, se puede grabar una película de la dinámica de una muestra.
Los pulsos láser en el rango espectral visible se suelen utilizar 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 conseguir un acceso más directo a la excitación instantánea de los electrones en el material. Aquí, un primer pulso en lo visible excita la dinámica cerca de la superficie de la muestra y un segundo pulso con una energía fotónica significativamente por encima de la función de trabajo del material emite los electrones. Al emplear tiempo de vuelo adicional o registro de energía de paso alto en el PEEM, se puede extraer información sobre la distribución electrónica instantánea en una nanoestructura con alta resolución espacial y temporal.
Aún se están realizando esfuerzos para lograr una resolución temporal de attosegundos y con ello registrar directamente campos ópticos alrededor de nanoestructuras con una resolución espacio-temporal no alcanzada hasta ahora.
La limitación general del PEEM, que es común a la mayoría de los métodos científicos de superficies, es que el PEEM opera sólo 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 PEEM in situ , PEEM puede observar el agua y la solución acuosa.
La resolución de PEEM está limitada a unos 10 nm, lo que resulta de una ampliación del ángulo de emisión de los fotoelectrones. La espectroscopia de fotoemisión de resolución angular ( ARPES ) es una poderosa herramienta para el análisis de estructuras. Sin embargo, puede resultar difícil realizar mediciones PEEM con resolución de ángulo y selectivas en energía debido a la falta de intensidad. La disponibilidad de fuentes de luz de radiación sincrotrón puede ofrecer interesantes posibilidades a este respecto.
Microscopía electrónica de transmisión ( TEM ) y microscopía electrónica de barrido ( SEM ): PEEM se diferencia de estas dos microscopías por utilizar un campo de aceleración eléctrica en la superficie de la muestra. La muestra es parte del sistema electrónico-óptico.
Microscopía electrónica de baja energía ( LEEM ) y microscopía electrónica de espejo (MEM): estas dos microscopía de emisión de electrones utilizan haces de suministro de cañón 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 microscopía electrónica de fotoemisión (PEEM), se utiliza la misma geometría de muestra y lente de inmersión, pero se omiten los cañones de electrones.
La microscopía electrónica de fotoemisión de resolución temporal (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]
{{cite book}}: Mantenimiento CS1: otros ( enlace )