microscopía electrónica de fotoemisión

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 realizó un boceto de su microscopio de emisión fotoelectrónica en su artículo de 1933 (Figura 1). ^{[ 2 ]} Este es, sin duda, el primer microscopio de emisión fotoelectrónica (PEEM).

En 1963, Gertrude F. Rempfer diseñó la óptica electrónica para un microscopio electrónico de barrido de ultra alto vacío (UHV PEEM) de los primeros modelos. 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 PEEM. Durante la década de 1960, tanto en el PEEM como en el TEM , las muestras se conectaban a tierra y podían transferirse en el entorno UHV a varias posiciones para la formación del fotocátodo, el procesamiento y la observación. Estos microscopios electrónicos se utilizaron solo durante un breve período, pero sus componentes aún se conservan. El primer microscopio electrónico de barrido láser (PEEM) disponible comercialmente fue diseñado y probado por Engel durante la década de 1960 para su tesis bajo la dirección de E. Ruska, y Balzers lo convirtió en un producto comercializable, llamado "Metioskop KE3", en 1971. Las lentes electrónicas y el divisor de voltaje del PEEM se incorporaron a una versión del mismo para estudios biológicos en Eugene, Oregón, alrededor de 1970.

Durante las décadas de 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 de carga acoplada (CCD) refrigerado, acoplado mediante fibra óptica 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 del campo acelerador.

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 procedente de radiación electromagnética, como la luz ultravioleta o los rayos X.

Cuando la materia absorbe luz ultravioleta o rayos X, los electrones se excitan desde los niveles internos hacia estados desocupados, dejando vacíos en dichos niveles. La desintegración de estos huecos internos genera electrones secundarios. 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 comprendidas entre la energía de la iluminación y la función de trabajo de la muestra. Esta amplia distribución de electrones es la principal causa de aberración en la imagen del microscopio.

Utilizando el método de Einstein, se emplean las siguientes ecuaciones: energía del fotón = energía necesaria para extraer un electrón + energía cinética del electrón emitido.

${\displaystyle hf=\phi +E_{k_{\text{max}}}\,}$

dónde

h es la constante de Planck;

f es la frecuencia del fotón incidente;

${\displaystyle \phi =hf_{0}\ }$es la función de trabajo ;

${\displaystyle E_{k_{\text{max}}}={\tfrac {1}{2}}mv_{m}^{2}}$es la energía cinética máxima de los electrones eyectados;

f ₀ es la frecuencia umbral para que se produzca el efecto fotoeléctrico;

m es la masa en reposo del electrón eyectado;

v _m es la velocidad del electrón eyectado.

La microscopía de emisión electrónica es un tipo de microscopía electrónica en la que el haz de electrones portador de información se origina en la propia muestra. La fuente de energía responsable de la emisión de electrones puede ser calor (emisión termoiónica), luz (emisión fotoelectrónica), iones o partículas neutras, pero generalmente excluye la emisión de campo y otros métodos que implican fuentes puntuales o microscopía con punta.

La imagen fotoelectrónica abarca cualquier forma de imagen en la que la fuente de información es la distribución de puntos desde los que los electrones son expulsados ​​de la muestra por la acción de los fotones. La técnica con mayor resolución en imagen fotoelectrónica actualmente es la microscopía de emisión fotoelectrónica con luz ultravioleta.

La zona de la muestra que se va a observar debe iluminarse de forma homogénea con la radiación adecuada (desde luz ultravioleta hasta rayos X duros). La luz ultravioleta es la radiación más común en la microscopía electrónica de barrido láser (PEEM) debido a la disponibilidad de fuentes muy brillantes, como las lámparas de mercurio . Sin embargo, se prefieren otras longitudes de onda (como los rayos X blandos) 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 focal posterior 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 propiedades electroópticas, 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 al 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 del eje 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 acelerador en la superficie, pero proporcional a la dispersión de energía de los electrones. Por lo tanto, la resolución r es aproximadamente:

${\displaystyle r\approx {\frac {d\,\Delta \,E}{e\,U}}}$

En la ecuación, d es la distancia entre la muestra y el objetivo, ΔE es la amplitud de la distribución de las energías iniciales de los electrones y U es el voltaje de aceleración.

Además del cátodo o lente objetivo, situado a la izquierda de la Figura 4, se utilizan dos lentes adicionales para crear una imagen de la muestra: una lente intermedia de tres electrodos permite variar la magnificación total entre 100× si la lente está desactivada y hasta 1000× cuando sea necesario. A la derecha de la Figura 4 se encuentra el proyector, una lente de tres electrodos combinada con una lente de desaceleración de dos elementos. La función principal de esta combinación de lentes es la desaceleración de los electrones rápidos de 20 keV hasta energías para las que la placa de canales presenta su máxima sensibilidad. Este intensificador de imagen ofrece su mejor rendimiento para electrones incidentes 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 en aplicaciones analíticas del PEEM. Mediante un filtro de energía, un microscopio PEEM puede considerarse como un espectrómetro de fotoelectrones ultravioleta (UPS) o de rayos X (XPS) para la obtención de imágenes. Con este método, se pueden adquirir espectros de fotoemisión con resolución espacial de 100  nm y resolución sub-eV. Con este instrumento, se pueden obtener imágenes elementales con información sobre el estado químico o mapas de función de trabajo. Además, dado que los fotoelectrones se emiten únicamente en la superficie del material, se pueden obtener mapas de terminación superficial.

En el extremo de la columna óptica de electrones se coloca un detector. Generalmente, se utiliza una pantalla de fósforo para convertir la imagen electrónica en una imagen fotónica. La elección del tipo de fósforo depende de la resolución requerida. Un detector de placa multicanal, cuya imagen es captada por una cámara CCD , puede sustituir a la pantalla de fósforo.