Un analizador de energía de electrones hemisférico o un analizador de deflexión hemisférica es un tipo de espectrómetro de energía de electrones que se utiliza generalmente para aplicaciones donde se necesita una resolución de alta energía: diferentes variedades de espectroscopía de electrones , como espectroscopía de fotoemisión de resolución angular (ARPES), espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS ) y espectroscopía electrónica Auger (AES) [1] o en aplicaciones de imágenes como microscopía electrónica de fotoemisión (PEEM) y microscopía electrónica de baja energía (LEEM). [2]
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Consiste en dos hemisferios conductores concéntricos que sirven como electrodos que doblan las trayectorias de los electrones entrando en una rendija estrecha en un extremo para que sus radios finales dependan de su energía cinética. El analizador, por lo tanto, proporciona un mapeo de energías cinéticas a posiciones en un detector.
Función
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Un analizador hemisférico ideal consta de dos electrodos hemisféricos concéntricos (hemisferios internos y externos) de radios y mantenido a los voltajes adecuados. En tal sistema, los electrones se dispersan linealmente, dependiendo de su energía cinética, a lo largo de la dirección que conecta la entrada y la rendija de salida, mientras que los electrones con la misma energía se enfocan en primer orden. [3]
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Cuando dos voltajes, y , se aplican a los hemisferios interno y externo, respectivamente, el potencial eléctrico en la región entre los dos electrodos se deduce de la ecuación de Laplace :
El campo eléctrico, que apunta radialmente desde el centro de los hemisferios hacia afuera, tiene el conocido movimiento planetario formulario
Los voltajes se establecen de tal manera que los electrones con energía cinética igual a la llamada energía de paso sigue una trayectoria circular de radio . La fuerza centrípeta a lo largo del camino es impuesta por el campo eléctrico.. Teniendo esto en cuenta,
La diferencia de potencial entre los dos hemisferios debe ser
- .
Un detector de un solo punto en el radio en el otro lado de los hemisferios se registrarán solo los electrones de una sola energía cinética. Sin embargo, la detección se puede paralelizar debido a la dependencia casi lineal de los radios finales de la energía cinética. En el pasado, se usaban varios detectores de electrones discretos ( channeltrons ), pero ahora prevalecen las placas de microcanal con pantallas fosforescentes y detección de cámara.
En general, estas trayectorias se describen en coordenadas polares. para el plano del gran círculo para electrones que inciden en un ángulo con respecto a la normal a la entrada, y para los radios iniciales para tener en cuenta la apertura finita y los anchos de hendidura (normalmente de 0,1 a 5 mm): [4]
- dónde
Como se puede ver en las imágenes de las trayectorias de electrones calculadas, el ancho de rendija finito se mapea directamente en los canales de detección de energía (confundiendo así la propagación de energía real con el ancho del haz). La dispersión angular, aunque también empeora la resolución de la energía, muestra algo de enfoque, ya que las desviaciones iguales negativas y positivas se asignan al mismo punto final.
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Cuando estas desviaciones de la trayectoria central se expresan en términos de los pequeños parámetros definido como , , y teniendo en cuenta que en sí mismo es pequeño (del orden de 1 °), el radio final de la trayectoria del electrón, , se puede expresar como
- .
Si los electrones de una energía fija estaban entrando en el analizador a través de una rendija que está de ancho, se visualizarían en el otro extremo del analizador como un punto amplio. Si su extensión angular máxima en la entrada es, un ancho adicional de se adquiere, y un solo canal de energía se mancha sobre en el lado del detector. Pero allí, este ancho adicional se interpreta como dispersión de energía, que es, de primer orden,. De ello se deduce que la resolución de energía instrumental, dada en función del ancho de la rendija,, y el ángulo de incidencia máximo, , de los fotoelectrones entrantes, que a su vez depende del ancho de la abertura y la rendija, es [2]
- .
La resolución del analizador mejora al aumentar . Sin embargo, los problemas técnicos relacionados con el tamaño del analizador ponen un límite a su valor real, y la mayoría de los analizadores lo tienen en el rango de 100 a 200 mm. Energías de paso inferiortambién mejoran la resolución, pero luego la probabilidad de transmisión de electrones se reduce y la relación señal / ruido se deteriora en consecuencia. Las lentes electrostáticas en frente del analizador tienen dos propósitos principales: recolectan y enfocan los fotoelectrones entrantes en la rendija de entrada del analizador, y desaceleran los electrones al rango de energías cinéticas alrededor., para aumentar la resolución.
Cuando se adquieren espectros en modo barrido (o barrido ), los voltajes de los dos hemisferios, y por lo tanto la energía de paso, se mantienen fijos; al mismo tiempo, los voltajes aplicados a las lentes electrostáticas se barren de tal manera que cada canal cuenta electrones con la energía cinética seleccionada durante la cantidad de tiempo seleccionada. Para reducir el tiempo de adquisición por espectro, se puede utilizar el modo llamado instantáneo (o fijo ). Este modo aprovecha la relación entre la energía cinética de un fotoelectrón y su posición dentro del detector. Si el rango de energía del detector es lo suficientemente amplio, y si la señal de fotoemisión recolectada de todos los canales es lo suficientemente fuerte, el espectro de fotoemisión se puede obtener en una sola toma de la imagen del detector.
Ver también
Referencias
- ^ Roy, D .; Tremblay, D. (1990). "Diseño de espectrómetros de electrones". Informes sobre avances en física . 53 (12): 1621-1674. Código Bibliográfico : 1990RPPh ... 53.1621R . doi : 10.1088 / 0034-4885 / 53/12/003 . ISSN 0034-4885 .
- ^ a b Tusche, cristiano; Chen, Ying-Jiun; Schneider, Claus M .; Kirschner, Jürgen (1 de noviembre de 2019). "Propiedades de imagen de analizadores de energía electrostática hemisférica para microscopía de momento de alta resolución" . Ultramicroscopía . 206 : 112815. doi : 10.1016 / j.ultramic.2019.112815 . ISSN 0304-3991 . PMID 31325896 .
- ^ Hadjarab, F .; JL Erskine (1985). "Propiedades de imagen del analizador hemisférico aplicadas a la detección de energía multicanal". Revista de espectroscopia electrónica y fenómenos relacionados . 36 (3): 227. doi : 10.1016 / 0368-2048 (85) 80021-9 .
- ^ Análisis de superficie práctica: por tornillo sinfín y la espectroscopia de fotoelectrones de rayos x . Briggs, D. (David), 1948-, Seah, MP Chichester: Wiley. 1983. ISBN 0-471-26279-X. OCLC 9556397 .CS1 maint: otros ( enlace )