La microscopía electrónica de baja energía , o LEEM , es una técnica científica de superficie analítica que se utiliza para obtener imágenes de superficies limpias atómicamente, interacciones átomo-superficie y películas delgadas (cristalinas). [1] En LEEM, un cañón de electrones emite electrones de alta energía (15-20 keV)., enfocado usando un conjunto de ópticas de condensador y enviado a través de un deflector de haz magnético (generalmente 60˚ o 90˚). Los electrones “rápidos” viajan a través de una lente de objetivo y comienzan a desacelerar a energías bajas (1-100 eV) cerca de la superficie de la muestra porque la muestra se mantiene a un potencial cercano al de la pistola. Los electrones de baja energía ahora se denominan "sensibles a la superficie" y la profundidad de muestreo cerca de la superficie se puede variar ajustando la energía de los electrones incidentes (diferencia entre los potenciales de la muestra y de la pistola menos las funciones de trabajode la muestra y el sistema). Los electrones retrodispersados elásticamente de baja energía viajan de regreso a través de la lente del objetivo, vuelven a acelerar hasta el voltaje de la pistola (porque la lente del objetivo está conectada a tierra) y pasan nuevamente a través del separador de haz. Sin embargo, ahora los electrones se alejan de la óptica del condensador y entran en las lentes del proyector. La formación de imágenes del plano focal posterior de la lente del objetivo en el plano del objeto de la lente del proyector (utilizando una lente intermedia) produce un patrón de difracción ( difracción de electrones de baja energía , LEED) en el plano de la imagen y se registra de varias formas diferentes. La distribución de intensidad del patrón de difracción dependerá de la periodicidad en la superficie de la muestra y es un resultado directo de la naturaleza ondulatoria de los electrones. Se pueden producir imágenes individuales de las intensidades de los puntos del patrón de difracción apagando la lente intermedia e insertando una apertura de contraste en el plano focal posterior de la lente del objetivo (o, en los instrumentos de última generación, en el centro del separador). , elegido por la excitación de la lente del objetivo), lo que permite observaciones en tiempo real de los procesos dinámicos en las superficies. Dichos fenómenos incluyen (pero no se limitan a): tomografía, transiciones de fase, adsorción, reacción, segregación, crecimiento de película delgada, grabado, alivio de tensión, sublimación y microestructura magnética. Estas investigaciones solo son posibles debido a la accesibilidad de la muestra; permitiendo una amplia variedad de estudios in situ en un amplio rango de temperatura. LEEM fue inventado por Ernst Bauer en 1962; sin embargo, no completamente desarrollado (por Ernst Bauer y Wolfgang Telieps ) hasta 1985.
Introducción
LEEM se diferencia de los microscopios electrónicos convencionales en cuatro aspectos principales:
- La muestra debe iluminarse en el mismo lado de la óptica de formación de imágenes, es decir, a través de la lente del objetivo, porque las muestras no son transparentes a los electrones de baja energía;
- Para separar los electrones de baja energía incidentes y dispersos elásticamente, los científicos utilizan separadores de haz de "prisma de electrones" magnéticos que enfocan los electrones tanto dentro como fuera del plano de la trayectoria del haz (para evitar distorsiones en la imagen y patrones de difracción);
- En la inmersión electrostática, la lente objetivo acerca la muestra a la de la pistola, ralentizando los electrones de alta energía a la energía deseada solo justo antes de interactuar con la superficie de la muestra;
- El instrumento debe poder trabajar en vacío ultra alto (UHV), o 10 −10 torr (760 torr = 1 atm, presión atmosférica), aunque se han desarrollado instrumentos de "presión cercana al ambiente" (NAP-LEEM) agregando un compartimento de mayor presión y etapas de bombeo diferencial, lo que permite presiones de la sala de muestras de hasta 10 −1 mbar. [2]
Difracción de superficie
La retrodispersión cinemática o elástica ocurre cuando los electrones de baja energía (1-100 eV) chocan contra una muestra cristalina limpia y bien ordenada. Se supone que cada electrón sufre un solo evento de dispersión, y el haz de electrones incidente se describe como una onda plana con la longitud de onda:
El espacio inverso se utiliza para describir la periodicidad de la red y la interacción de la onda plana con la superficie de la muestra. En el espacio inverso (o "espacio k"), el vector de onda de las ondas incidente y dispersa son y , respectivamente,
y la interferencia constructiva ocurre en la condición de Laue:
donde (h, k, l) es un conjunto de números enteros y
es un vector de la red recíproca.
Configuración experimental
Una configuración típica de LEEM consiste en un cañón de electrones , que se utiliza para generar electrones mediante emisión termoiónica o de campo desde la punta de una fuente. En la emisión termoiónica, los electrones escapan de una punta de la fuente (generalmente hecha de LaB 6 ) mediante calentamiento resistivo y aplicación de un campo eléctrico para reducir efectivamente la energía necesaria para que los electrones escapen de la superficie. Una vez que se obtiene suficiente energía térmica vibratoria, los electrones pueden superar esta barrera de energía electrostática, lo que les permite viajar al vacío y acelerar la columna de la lente hasta el potencial de la pistola (porque las lentes están en el suelo). En la emisión de campo, en lugar de calentar la punta para excitar vibratoriamente los electrones de la superficie, la punta de la fuente (generalmente tungsteno) se afila hasta un punto pequeño, de modo que cuando se aplican grandes campos eléctricos, se concentran en la punta, bajando la barrera para escapar. la superficie, además de hacer más factible la tunelización de electrones desde la punta hasta el nivel de vacío.
Las ópticas de condensador / iluminación se utilizan para enfocar los electrones que salen del cañón de electrones y manipular y / o traducir el haz de electrones de iluminación. Se utilizan lentes de electrones cuadrupolo electromagnéticos, cuyo número depende de cuánta resolución y flexibilidad de enfoque desee el diseñador. Sin embargo, la resolución final de LEEM suele estar determinada por la del objetivo.
La apertura del haz de iluminación permite a los investigadores controlar el área de la muestra que está iluminada (la versión LEEM de la “difracción de área seleccionada” de microscopía electrónica, denominada microdifracción) y está ubicada en el separador de haz en el lado de la iluminación.
Se necesita un separador de haz magnético para resolver el haz de iluminación y de imagen (mientras que, a su vez, separa espacialmente las ópticas para cada uno). Ha habido mucho desarrollo en la tecnología de los separadores de haz de electrones; los primeros separadores introdujeron distorsión en la imagen o en el plano de difracción. Sin embargo, IBM desarrolló recientemente una matriz de prismas híbrida / diseño de campo cuadrático anidado, enfocando los haces de electrones tanto dentro como fuera del plano de la trayectoria del haz, permitiendo la desviación y transferencia de la imagen y planos de difracción sin distorsión o dispersión de energía.
La lente de objetivo de inmersión electrostática se utiliza para formar una imagen real de la muestra por medio de una imagen virtual de 2/3 de aumento detrás de la muestra. La uniformidad del campo electrostático entre la lente del objetivo y la muestra, limitada por aberraciones esféricas y cromáticas más grandes que las de cualquier otra lente, determina en última instancia el rendimiento general del instrumento.
La apertura de contraste está ubicada en el centro del lado de la lente del proyector del separador de haz. En la mayoría de los microscopios electrónicos, la apertura de contraste se introduce en el plano focal posterior de la lente del objetivo (donde se encuentra el plano de difracción real). Sin embargo, esto no es cierto en el LEEM, porque las imágenes de campo oscuro (imágenes de haces no especiales) no serían posibles porque la apertura tiene que moverse lateralmente e interceptaría el haz incidente para grandes cambios. Por lo tanto, los investigadores ajustan la excitación de la lente del objetivo para producir una imagen del patrón de difracción en el medio del separador de haz y eligen la intensidad del punto deseada para la imagen utilizando una apertura de contraste insertada allí. Esta apertura permite a los científicos obtener imágenes de intensidades de difracción que pueden ser de particular interés (campo oscuro).
Se emplean ópticas de iluminación para ampliar la imagen o el patrón de difracción y proyectarlo sobre la placa o pantalla de imágenes. Placa o pantalla de imágenes utilizada para obtener imágenes de la intensidad del electrón para que podamos verlo. Esto se puede hacer de muchas formas diferentes, incluidas pantallas fosforescentes, placas de imagen, CCD, entre otras.
Técnicas de imagen especializadas
Difracción de electrones de baja energía (LEED)
Después de que un haz paralelo de electrones de baja energía interactúa con una muestra, los electrones forman un patrón de difracción o LEED que depende de la periodicidad presente en la superficie y es un resultado directo de la naturaleza ondulatoria de un electrón. Es importante señalar que en LEED regular toda la superficie de la muestra está siendo iluminada por un haz de electrones paralelo y, por lo tanto, el patrón de difracción contendrá información sobre toda la superficie.
LEED realizado en un instrumento LEEM (a veces denominado Difracción de Electrones de Muy Baja Energía (VLEED), debido a las energías electrónicas aún más bajas), limita el área iluminada al punto del haz, típicamente en el orden de micrómetros cuadrados. El patrón de difracción se forma en el plano focal posterior de la lente del objetivo, se refleja en el plano del objeto de la lente proyectiva (usando una lente intermedia), y el patrón final aparece en la pantalla fosforescente, placa fotográfica o CCD.
Como los electrones reflejados se desvían de la fuente de electrones por el prisma, los electrones reflejados especulares se pueden medir, incluso a partir de energía de aterrizaje cero, ya que no se ve ninguna sombra de la fuente en la pantalla (lo que evita esto en los instrumentos LEED normales) . Vale la pena señalar que el espaciamiento de los haces difractados no aumenta con la energía cinética como en los sistemas LEED convencionales. Esto se debe a que los electrones de la imagen se aceleran a la alta energía de la columna de imagen y, por lo tanto, se obtienen imágenes con un tamaño constante de espacio K independientemente de la energía del electrón incidente.
Microdifracción
La microdifracción es conceptualmente exactamente como LEED. Sin embargo, a diferencia de un experimento LEED en el que el área de la superficie muestreada es de algunos milímetros cuadrados, se inserta la iluminación y la apertura del haz en la trayectoria del haz mientras se obtiene la imagen de una superficie y, por lo tanto, se reduce el tamaño del área de la superficie muestreada. El área elegida varía desde una fracción de un micrómetro cuadrado hasta un micrómetro cuadrado. Si la superficie no es homogénea, un patrón de difracción obtenido del experimento LEED parece complicado y, por lo tanto, es difícil de analizar. En un experimento de microdifracción, los investigadores pueden centrarse en una isla, terraza, dominio, etc. en particular, y recuperar un patrón de difracción compuesto únicamente por una única característica de la superficie, lo que hace que la técnica sea extremadamente útil.
Imágenes de campo brillante
Las imágenes de campo brillante utilizan el haz (0,0) reflejado especular para formar una imagen. También conocida como imagen de contraste de fase o de interferencia, la imagen de campo brillante hace un uso particular de la naturaleza ondulatoria del electrón para generar contraste de difracción vertical, haciendo visibles los pasos en la superficie.
Imágenes de campo oscuro
En las imágenes de campo oscuro (también denominadas imágenes de contraste por difracción), los investigadores eligen un punto de difracción deseado y usan una apertura de contraste para pasar solo los electrones que contribuyen a ese punto en particular. En los planos de la imagen después de la apertura de contraste, es posible observar de dónde se originan los electrones en el espacio real. Esta técnica permite a los científicos estudiar en qué áreas de un espécimen existe una estructura con un cierto vector de celosía (periodicidad).
Espectroscopia
Tanto la (micro) difracción como las imágenes de campo claro y campo oscuro se pueden realizar en función de la energía de aterrizaje de electrones, midiendo un patrón de difracción o una imagen para un rango de energías. Esta forma de medición (a menudo llamada LEEM-IV) produce espectros para cada punto de difracción o posición de muestra. En su forma más simple, este espectro da una "huella dactilar" de la superficie, lo que permite la identificación de diferentes estructuras de superficie.
Una aplicación particular de la espectroscopia de campo claro es el recuento del número exacto de capas en materiales estratificados como grafeno (pocas capas) , nitruro de boro hexagonal y algunos dicalcogenuros de metales de transición . [4] [5] [6]
Microscopía electrónica de fotoemisión (PEEM)
En la microscopía electrónica de fotoemisión (PEEM), tras la exposición a radiación electromagnética (fotones), los electrones secundarios se excitan desde la superficie y se obtienen imágenes. PEEM se desarrolló por primera vez a principios de la década de 1930, utilizando luz ultravioleta (UV) para inducir la fotoemisión de electrones (secundarios). Sin embargo, desde entonces, esta técnica ha logrado muchos avances, el más importante de los cuales fue el emparejamiento de PEEM con una fuente de luz de sincrotrón , proporcionando radiación sintonizable, lineal polarizada, circularizada a izquierda y derecha en el rango de rayos X suaves. Dicha aplicación permite a los científicos recuperar el contraste topográfico, elemental, químico y magnético de superficies.
Los instrumentos LEEM a menudo están equipados con fuentes de luz para realizar imágenes PEEM. Esto ayuda en la alineación del sistema y permite la recopilación de datos LEEM, PEEM y ARPES de una sola muestra en un solo instrumento.
Microscopía electrónica de espejo (MEM)
En la microscopía electrónica de espejo, los electrones se ralentizan en el campo de retardo de la lente del condensador hasta el límite del instrumento y, por lo tanto, solo se les permite interactuar con la región "cercana a la superficie" de la muestra. Es muy complicado comprender de dónde provienen las variaciones de contraste exactas, pero lo importante a señalar aquí es que las variaciones de altura en la superficie de la región cambian las propiedades del campo retardador, lo que influye en el haz reflejado (especular). No se forma ningún patrón LEED, porque no se han producido eventos de dispersión y, por lo tanto, la intensidad reflejada es alta.
Imágenes de contraste de reflectividad
La retrodispersión elástica de electrones de baja energía de las superficies es fuerte. Los coeficientes de reflectividad de las superficies dependen en gran medida de la energía de los electrones incidentes y de la carga nuclear, de forma no monótona. Por lo tanto, el contraste se puede maximizar variando la energía de los electrones que inciden en la superficie.
LEEM con polarización de giro (SPLEEM)
SPLEEM utiliza electrones de iluminación de espín polarizado para obtener imágenes de la estructura magnética de una superficie mediante el acoplamiento espín-espín de los electrones incidentes con el de la superficie.
Otro
Otras técnicas avanzadas incluyen: [4]
- Potenciometría de electrones de baja energía : la determinación del desplazamiento de los espectros LEEM permite determinar la función de trabajo local y el potencial eléctrico.
- ARRES : Espectroscopía de electrones reflejados resueltos en ángulo .
- eV-TEM : Microscopía electrónica de transmisión a energías LEEM.
Referencias
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