Фотоэмиссионная электронная микроскопия

Эта статья включает список общих ссылок , но в ней отсутствуют соответствующие встроенные цитаты . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью, введя более точные цитаты. ( Декабрь 2012 ) ( Узнайте, как и когда удалять это сообщение )

Фотоэмиссионная электронная микроскопия ( ПЭЭМ , также называемая фотоэлектронной микроскопией , ПЭМ ) — это тип электронной микроскопии , которая использует локальные изменения в электронной эмиссии для создания контраста изображения. ^{[ требуется ссылка ]} Возбуждение обычно производится ультрафиолетовым светом , синхротронным излучением или рентгеновскими источниками. ПЭЭМ измеряет коэффициент косвенно, собирая испускаемые вторичные электроны, образующиеся в электронном каскаде, который следует за созданием первичной дырки в ядре в процессе поглощения. ПЭЭМ — это поверхностно-чувствительный метод, поскольку испускаемые электроны исходят из неглубокого слоя. В физике этот метод называется ПЭЭМ, который естественным образом сочетается с дифракцией низкоэнергетических электронов (LEED) и низкоэнергетической электронной микроскопией ( LEEM ). В биологии он называется фотоэлектронной микроскопией (ПЭМ), которая соответствует фотоэлектронной спектроскопии (ФЭС), просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) ^[1] и сканирующей электронной микроскопии (СЭМ).

В 1933 году Эрнст Брюхе сообщил об изображениях катодов, освещенных УФ-светом. Эта работа была расширена двумя его коллегами, Х. Малем и Й. Полем. Брюхе сделал эскиз своего фотоэлектронного эмиссионного микроскопа в своей статье 1933 года (рисунок 1). ^[2] Очевидно, это первый фотоэлектронный эмиссионный микроскоп (ПЭЭМ).

В 1963 году Гертруда Ф. Ремпфер разработала электронную оптику для раннего сверхвысоковакуумного (СВВ) ПЭЭМ. В 1965 году Г. Берроуз в Лаборатории ночного видения в Форт-Белвуаре, штат Вирджиния, создал отжигаемые электростатические линзы и герметичные клапаны для ПЭЭМ. В 1960-х годах в ПЭЭМ, а также в ТЭМ , образцы заземлялись и могли перемещаться в среде СВВ в несколько положений для формирования фотокатода, обработки и наблюдения. Эти электронные микроскопы использовались лишь в течение короткого периода времени, но их компоненты продолжают работать. Первый коммерчески доступный ПЭЭМ был разработан и испытан Энгелем в 1960-х годах для его диссертационной работы под руководством Э. Руски , а в 1971 году Бальцерс превратил его в товарный продукт под названием «Metioskop KE3». Электронные линзы и делитель напряжения ПЭЭМ были включены в одну из версий ПЭЭМ для биологических исследований в Юджине, штат Орегон, около 1970 года.

В 1970-х и 1980-х годах были построены микроскопы второго поколения (PEEM-2) и третьего поколения (PEEM-3). PEEM-2 — это обычный прибор без коррекции аберраций, использующий электростатические линзы. Он использует охлаждаемый прибор с зарядовой связью (ПЗС), соединенный волокном с фосфором, для обнаружения электронно-оптического изображения. Микроскоп с коррекцией аберраций PEEM-3 использует изогнутое электронное зеркало для противодействия аберрациям низшего порядка электронных линз и ускоряющего поля.

Фотоэмиссия или фотоэлектрический эффект — квантово-электронное явление, при котором электроны (фотоэлектроны) испускаются из вещества после поглощения энергии электромагнитного излучения, такого как ультрафиолетовый свет или рентгеновские лучи.

Когда УФ-свет или рентгеновские лучи поглощаются веществом, электроны возбуждаются из основных уровней в незанятые состояния, оставляя пустые основные состояния. Вторичные электроны генерируются за счет распада дырки в ядре. Оже-процессы и неупругое рассеяние электронов создают каскад низкоэнергетических электронов. Некоторые электроны проникают через поверхность образца и уходят в вакуум. Широкий спектр электронов испускается с энергиями между энергией освещения и работой выхода образца. Это широкое распределение электронов является основным источником аберрации изображения в микроскопе.

Используя метод Эйнштейна, используются следующие уравнения: энергия фотона = энергия, необходимая для удаления электрона + кинетическая энергия испущенного электрона

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

где

h — постоянная Планка;

f — частота падающего фотона;

${\displaystyle \phi =hf_{0}\ }$- это работа выхода ;

${\displaystyle E_{k_{\text{max}}}={\tfrac {1}{2}}mv_{m}^{2}}$максимальная кинетическая энергия выброшенных электронов;

f ₀ — пороговая частота возникновения фотоэффекта;

m — масса покоя выброшенного электрона;

v _m — скорость выброшенного электрона.

Электронно-эмиссионная микроскопия — это тип электронной микроскопии, в которой пучок электронов, несущий информацию, исходит из образца. Источником энергии, вызывающей электронную эмиссию, может быть тепло (термоэлектронная эмиссия), свет (фотоэлектронная эмиссия), ионы или нейтральные частицы, но обычно исключает полевую эмиссию и другие методы, включающие точечный источник или микроскопию с кончиком.

Фотоэлектронная визуализация включает в себя любую форму визуализации, в которой источником информации является распределение точек, из которых электроны выбрасываются из образца под действием фотонов. Методика с наивысшим разрешением фотоэлектронной визуализации в настоящее время — это фотоэлектронная эмиссионная микроскопия с использованием УФ-света.

Фотоэмиссионный электронный микроскоп — это параллельный инструмент для получения изображений. Он создает в любой момент времени полную картину распределения фотоэлектронов, испускаемых из отображаемой области поверхности.

Просматриваемая область образца должна быть равномерно освещена соответствующим излучением (от УФ до жесткого рентгеновского излучения). УФ-излучение является наиболее распространенным излучением, используемым в ПЭЭМ, поскольку доступны очень яркие источники, такие как ртутные лампы . Однако другие длины волн (например, мягкое рентгеновское излучение) предпочтительны, когда требуется аналитическая информация.

Электронно-оптическая колонна содержит две или более электростатических или магнитных электронных линз, корректирующие элементы, такие как стигматор и дефлектор, апертуру, ограничивающую угол в задней фокальной плоскости одной из линз.

Как и в любом эмиссионном электронном микроскопе, объектив или катодная линза определяют разрешение. Последнее зависит от электронно-оптических качеств, таких как сферические аберрации и разброс энергии фотоэмитируемых электронов. Электроны испускаются в вакуум с угловым распределением, близким к функции косинуса-квадрата. Значительная компонента скорости, параллельная поверхности, уменьшит поперечное разрешение. Более быстрые электроны, покидающие поверхность точно вдоль центральной линии ПЭЭМ, также будут отрицательно влиять на разрешение из-за хроматической аберрации катодной линзы. Разрешение обратно пропорционально напряженности ускоряющего поля на поверхности, но пропорционально разбросу энергии электронов. Таким образом, разрешение r приблизительно равно:

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

В уравнении d — расстояние между образцом и объективом, ΔE — ширина распределения начальных энергий электронов, а U — ускоряющее напряжение.

Помимо катодной или объективной линзы, расположенной в левой части рисунка 4, для создания изображения образца используются еще две линзы: промежуточная трехэлектродная линза используется для изменения общего увеличения от 100×, если линза деактивирована, до 1000× при необходимости. В правой части рисунка 4 находится проектор, трехэлектродная линза в сочетании с двухэлементной линзой замедления. Основной задачей этой комбинации линз является замедление быстрых электронов 20 кэВ до энергий, для которых канальная пластина имеет наибольшую чувствительность. Такой усилитель изображения имеет наилучшие характеристики для ударных электронов с кинетической энергией примерно около 1 кэВ.

Энергетический фильтр может быть добавлен к инструменту для выбора электронов, которые будут способствовать получению изображения. Эта опция особенно используется для аналитических приложений PEEM. Используя энергетический фильтр, микроскоп PEEM может рассматриваться как визуализация ультрафиолетовой фотоэлектронной спектроскопии (UPS) или рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS). Используя этот метод, можно получить пространственно разрешенные спектры фотоэмиссии с пространственным разрешением в масштабе 100 нм и с разрешением ниже эВ. Используя такой инструмент, можно получать элементарные изображения с чувствительностью к химическому состоянию или картами работы выхода. Кроме того, поскольку фотоэлектроны испускаются только на самой поверхности материала, можно получить карты окончания поверхности.

Детектор размещается в конце электронно-оптической колонны. Обычно для преобразования электронного изображения в фотонное используется фосфорный экран. Выбор типа фосфора определяется соображениями разрешения. Многоканальный пластинчатый детектор, изображение которого формируется ПЗС- камерой, может заменить фосфорный экран.

По сравнению со многими другими методами электронной микроскопии, PEEM с временным разрешением обеспечивает очень высокое временное разрешение всего в несколько фемтосекунд с перспективами его продвижения до аттосекундного режима. Причина в том, что временное расширение электронного импульса не ухудшает временное разрешение, поскольку электроны используются только для достижения высокого пространственного разрешения. Временное разрешение достигается с помощью очень коротких световых импульсов в установке накачки-зонда. Первый импульс оптически возбуждает динамику, такую ​​как поверхностные плазмоны на поверхности образца, а второй импульс зондирует динамику после определенного времени ожидания с помощью фотоэмиссионных электронов. Скорость фотоэмиссии зависит от локального уровня возбуждения образца. Следовательно, можно получить пространственную информацию о динамике на образце. Повторяя этот эксперимент с серией времен ожидания между накачкой и зондирующим импульсом, можно записать фильм о динамике на образце.

Лазерные импульсы в видимом спектральном диапазоне обычно используются в сочетании с PEEM. Они обеспечивают временное разрешение от нескольких до 100 фемтосекунд. В последние годы импульсы с более короткими длинами волн использовались для достижения более прямого доступа к мгновенному возбуждению электронов в материале. Здесь первый импульс в видимом диапазоне возбуждает динамику вблизи поверхности образца, а второй импульс с энергией фотона, значительно превышающей работу выхода материала, испускает электроны. Используя дополнительную запись энергии времени пролета или высокочастотного пропускания в PEEM, можно извлечь информацию о мгновенном распределении электронов в наноструктуре с высоким пространственным и временным разрешением.

Попытки достичь аттосекундного временного разрешения и, таким образом, напрямую регистрировать оптические поля вокруг наноструктур с пока недостижимым пространственно-временным разрешением все еще продолжаются.

Общее ограничение PEEM, которое является общим для большинства методов поверхностной науки, заключается в том, что PEEM работает только в довольно ограниченных условиях вакуума. Всякий раз, когда электроны используются для возбуждения образца или переноса информации с его поверхности, должен быть вакуум с соответствующим средним свободным пробегом для электронов. С помощью методов PEEM in-situ вода и водный раствор могут наблюдаться с помощью PEEM.

Разрешение PEEM ограничено примерно 10 нм, что является результатом разброса угла эмиссии фотоэлектронов. Фотоэмиссионная спектроскопия с угловым разрешением ( ARPES ) является мощным инструментом для анализа структуры. Однако может быть сложно проводить измерения PEEM с угловым разрешением и селективностью по энергии из-за отсутствия интенсивности. Наличие источников синхротронного излучения может предложить захватывающие возможности в этом отношении.

Просвечивающая электронная микроскопия ( ПЭМ ) и сканирующая электронная микроскопия ( СЭМ ): ПЭМ отличается от этих двух микроскопий использованием электрического ускоряющего поля на поверхности образца. Образец является частью электронно-оптической системы.

Низкоэнергетическая электронная микроскопия ( LEEM ) и зеркальная электронная микроскопия (MEM): эти два вида электронной эмиссионной микроскопии используют пучки питания электронной пушки, которые направляются к образцу, замедляются и рассеиваются обратно от образца или отражаются непосредственно перед достижением образца. В фотоэмиссионной электронной микроскопии (PEEM) используется та же геометрия образца и иммерсионная линза, но электронные пушки отсутствуют.

Фотоэмиссионная электронная микроскопия с временным разрешением (TR-PEEM) хорошо подходит для наблюдения в реальном времени за быстрыми процессами на поверхностях, оснащенных импульсным синхротронным излучением для освещения. ^{[3] [4]}

• Времяпролетная фотоэмиссионная электронная микроскопия ( TOF -PEEM): TOF-PEEM — это PEEM, использующая сверхбыструю стробируемую ПЗС-камеру или счетный детектор с временным и пространственным разрешением для наблюдения за быстрыми процессами на поверхностях.
• Многофотонная фотоэмиссионная электронная микроскопия: Многофотонная фотоэмиссионная электронная микроскопия может использоваться для изучения локализованных поверхностных плазмонных возбуждений в нанокластерах или для прямого пространственного наблюдения времени жизни горячих электронов в структурированных пленках с использованием фемтосекундных лазеров.
• ПЭЭМ в жидкостях и плотных газах: Разработка микроизготовленных тонких жидкостных ячеек в конце 1990-х годов позволила проводить широкополосную рентгеновскую микроскопию жидких и газообразных образцов, заключенных между двумя мембранами SiN. В такой конфигурации вакуумная сторона второй мембраны была покрыта фотоэмиссионным материалом, а ПЭЭМ использовалась для регистрации пространственных изменений проходящего света. ^[5] Истинное ПЭЭМ-изображение жидких интерфейсов в фотоэлектронах было реализовано с помощью сверхтонких электронно-прозрачных мембран, таких как графен. ^[6] Дальнейшее развитие графеновых жидких ячеек, совместимых с UHV, позволило проводить исследования электрохимических и электрифицированных интерфейсов жидкость-твердое тело с помощью стандартных установок ПЭЭМ без использования дифференциальной откачки. ^{[7] [8]}

• http://xraysweb.lbl.gov/peem2/webpage/Project/TutorialPEEM.shtml