میکروسکوپ الکترونی فوتوگسیل

میکروسکوپ الکترونی فوتوگسیل (Photoemission Electron Microscopy) که به آن میکروسکوپ فتوالکترونی (PEM) نیز گفته می‌شود، نوعی میکروسکوپ الکترونی است که از تغییرات محلی در نشر الکترون برای ایجاد کنتراست تصویر استفاده می‌کند. تحریک معمولاً توسط نور فرابنفش، تابش سینکروترون یا منابع اشعه ایکس ایجاد می‌شود. PEEM ضریب را به طور غیرمستقیم با جمع‌آوری الکترون‌های ثانویه نشر شده که در پی ایجاد حفره اولیه در فرآیند جذب تولید می‌شوند، اندازه‌گیری می‌کند.

PEEM یک دستگاه حساس به سطح است، زیرا الکترون‌های نشر شده از یک لایه سطحی کم‌عمق منشاء می‌گیرند. در فیزیک، این تکنیک به عنوان PEEM شناخته می‌شود و به‌طور طبیعی با روش‌های پراش الکترونی انرژی پایین (LEED) و میکروسکوپ الکترونی انرژی پایین (LEEM) همراه است. در زیست‌شناسی، این تکنیک میکروسکوپ فتوالکترونی (PEM) نامیده می‌شود که با طیف‌سنجی فتوالکترونی (PES)، میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) و میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) هماهنگی دارد

### اثر فتوالکتریک
بندانگشتی|305x305پیکسل|تحریک الکترون‌ها و بررسی فوتوالکترون‌های گسیل شده توسط میکروسکوپ الکترونی فتوگسیل
اثر نشر نوری یا فوتوالکتریک، پدیده‌ای کوانتومی در الکترونیک است که در آن الکترون‌ها (فوتوالکترون‌ها) پس از جذب انرژی از تابش الکترومغناطیسی مانند نور فرابنفش (UV) یا اشعه ایکس از ماده ساطع می‌شوند. هنگامی که نور UV یا اشعه ایکس توسط ماده جذب می‌شود، الکترون‌ها از سطوح هسته‌ای به حالت‌های خالی برانگیخته شده و حالت‌های خالی هسته‌ای باقی می‌گذارند. الکترون‌های ثانویه در اثر زوال حفره هسته‌ای ایجاد می‌شوند. فرآیندهای اوژه و پراکندگی الکترون‌های غیرکشسان باعث ایجاد یک آبشار از الکترون‌های کم‌انرژی می‌شوند. برخی از این الکترون‌ها به سطح نمونه نفوذ کرده و به فضای خلأ فرار می‌کنند. طیف گسترده‌ای از الکترون‌ها با انرژی‌هایی بین انرژی تابش و تابع کار نمونه منتشر می‌شوند. این توزیع گسترده الکترون‌ها منبع اصلی اعوجاج تصویر در میکروسکوپ است.   

## منابع نوری
ناحیه مشاهده‌شده از نمونه باید به صورت یکنواخت با تابش مناسب (از محدوده نور فرابنفش تا پرتوهای ایکس سخت) روشن شود. نور فرابنفش (UV)  معمول‌ترین تابش مورد استفاده در PEEM است، زیرا منابع بسیار پرنوری مانند لامپ‌های جیوه‌ای در دسترس هستند. با این حال، طول‌موج‌های دیگر (مانند پرتوهای ایکس نرم) در مواردی که اطلاعات تحلیلی موردنیاز باشد، ترجیح داده می‌شوند.  

### ستون نوری الکترونی و وضوح
ستون نوری الکترونی شامل دو یا چند عدسی الکترواستاتیکی یا مغناطیسی الکترونی، اجزای اصلاحی مانند استیگماتور و دفلاکتور، و یک روزنه محدودکننده زاویه در صفحه فوکال پشتی یکی از عدسی‌ها است.

در هر میکروسکوپ الکترونی فتوگسیلی، عدسی هدف یا کاتد وضوح تصویر را تعیین می‌کند. این وضوح به ویژگی‌های الکترون-نوری وابسته است، مانند انحرافات کروی و گسترش انرژی الکترون‌های فوتو-انتشاریافته. الکترون‌ها به داخل خلاء با توزیع زاویه‌ای نزدیک به یک تابع مربع کسینوس منتشر می‌شوند. یک مؤلفه سرعت قابل توجه موازی با سطح، وضوح جانبی را کاهش می‌دهد. الکترون‌های سریع‌تر که دقیقاً از مرکز خط PEEM سطح خارج می‌شوند، همچنین به دلیل انحراف کروماتیک عدسی کاتد، بر وضوح تأثیر منفی می‌گذارند. وضوح به طور معکوس به شدت میدان شتاب‌دهنده در سطح وابسته است اما با افزایش انرژی الکترون‌ها متناسب است. بنابراین، وضوح r تقریباً به صورت زیر است:

r ≈ d ΔEe U\frac{d \, \Delta E}{e \, U}

در این معادله، d فاصله بین نمونه و عدسی هدف است، ΔE عرض توزیع انرژی‌های اولیه الکترون‌ها است و U ولتاژ شتاب‌دهنده است.

علاوه بر عدسی کاتد یا هدف، که در سمت چپ شکل 4 قرار دارد، دو عدسی دیگر برای ایجاد تصویر از نمونه استفاده می‌شوند: یک عدسی میانه سه‌الکترودی برای تغییر بزرگنمایی کلی بین 100× هنگامی که عدسی غیرفعال است و تا 1000× زمانی که مورد نیاز واقع می شود، به کار می‌رود. در سمت راست شکل 4، پروژکتور قرار دارد که یک عدسی سه‌الکترودی همراه با یک عدسی کاهش‌دهنده دو‌عنصری است. وظیفه اصلی این ترکیب عدسی‌ها کاهش سرعت الکترون‌های سریع 20 کیلوالکترون‌ولت به انرژی‌هایی است که برای آن‌ها صفحه کانال بیشترین حساسیت را دارد. چنین تقویت‌کننده ای عملکرد بهتری برای الکترون‌های برخوردی با انرژی‌های جنبشی حدود 1 کیلوالکترون‌ولت دارد.

### فیلتر انرژی
می‌توان یک فیلتر انرژی به دستگاه اضافه کرد تا الکترون‌هایی که به تصویر کمک خواهند کرد انتخاب شوند. این گزینه به‌ویژه برای کاربردهای تحلیلی میکروسکوپ PEEM مورد استفاده قرار می‌گیرد. با استفاده از فیلتر انرژی، میکروسکوپ PEEM می‌تواند به‌عنوان تصویربرداری از طیف‌سنجی فوتو-الکترون ماوراء بنفش (UPS) یا طیف‌سنجی فوتو-الکترون ایکس‌ری (XPS) دیده شود. با استفاده از این روش، طیف‌های فوتو-انتشاریافته‌ای با تفکیک فضایی می‌توان به دست آورد که وضوح فضایی در مقیاس 100 نانومتر و وضوح زیر الکترون‌ولت دارند. با استفاده از چنین دستگاهی، می‌توان تصاویر عنصری با حساسیت به وضعیت شیمیایی را به‌دست آورد. همچنین، از آنجا که فوتو-الکترون‌ها تنها در سطح بسیار نازک ماده منتشر می‌شوند، نقشه‌های ترمیناسیون سطحی نیز می‌توانند به‌دست آیند.

### دیتکتور
یک دیتکتور در انتهای ستون نوری الکترونی قرار دارد. معمولاً از صفحه فسفر برای تبدیل تصویر الکترونی به تصویر فوتونی استفاده می‌شود. انتخاب نوع فسفر بر اساس ملاحظات وضوح صورت می‌گیرد. یک دیتکتور صفحه چندکاناله که توسط دوربین CCD تصویربرداری می‌شود، می‌تواند جایگزین صفحه فسفر شود. 

### PEEM با وضوح زمانی بالا
در مقایسه با بسیاری از دیگر تکنیک‌های میکروسکوپ الکترونی، PEEM با وضوح زمانی بسیار بالا که تنها چند فمتوثانیه است. دلیل این امر این است که گسترش پالس الکترونی زمانی موجب کاهش وضوح زمانی نمی‌شود، زیرا الکترون‌ها تنها برای دستیابی به وضوح فضایی بالا استفاده می‌شوند. وضوح زمانی با استفاده از پالس‌های نوری بسیار کوتاه در یک تنظیم پمپ-پروب به‌دست می‌آید. یک پالس اول به‌طور نوری پویایی‌هایی مانند پلاسماهای سطحی را روی سطح نمونه تحریک می‌کند و یک پالس دوم، پس از زمان معینی، این پویایی‌ها را با فوتو-انتشاری الکترون‌ها بررسی می‌کند. نرخ فوتو-انتشاع تحت تأثیر سطح تحریک محلی نمونه قرار می‌گیرد. بنابراین، اطلاعات فضایی در مورد پویایی‌ها روی نمونه به‌دست می‌آید. با تکرار این آزمایش با یک سری زمان‌های انتظار بین پالس‌های پمپ و پروب، می‌توان فیلمی از پویایی‌های روی نمونه ضبط کرد. 

پالس‌های لیزری در محدوده طیفی مرئی معمولاً در ترکیب با PEEM استفاده می‌شوند. آن‌ها وضوح زمانی از چند فمتوثانیه تا 100 فمتوثانیه را ارائه می‌دهند. در سال‌های اخیر، پالس‌هایی با طول موج‌های کوتاه‌تر برای دسترسی مستقیم‌تر به تحریک الکترونی آنی در ماده استفاده شده‌اند. در اینجا، یک پالس اول در ناحیه مرئی پویایی‌هایی را در نزدیکی سطح نمونه تحریک می‌کند و یک پالس دوم با انرژی فوتونی که به طور قابل توجهی بالاتر از کارکرد ماده است، الکترون‌ها را منتشر می‌کند. با استفاده از ضبط زمان پرواز یا انرژی بالاتر در PEEM، می‌توان اطلاعاتی درباره توزیع الکترونی آنی در یک نانوساختار با وضوح فضایی و زمانی بالا استخراج کرد.

### محدودیت‌ها
محدودیت عمومی PEEM که با بیشتر روش‌های علم سطح مشترک است، این است که PEEM تنها تحت شرایط خلاء نسبتاً محدود عمل می‌کند. هر زمان که الکترون‌ها برای تحریک یک نمونه یا انتقال اطلاعات از سطح آن استفاده می‌شوند، باید خلاء وجود داشته باشد که مسیر آزاد میانگین مناسب برای الکترون‌ها را فراهم کند. 

وضوح PEEM به حدود 10 نانومتر محدود است که ناشی از گسترش زاویه انتشار فوتو-الکترون‌ها است. طیف‌سنجی فوتو-گسیل زاویه‌ای (ARPES) یک ابزار قدرتمند برای تحلیل ساختار است. با این حال، ممکن است انجام اندازه‌گیری‌های PEEM با دقت زاویه‌ای و انتخاب انرژی به دلیل کمبود شدت دشوار باشد. در این زمینه، دسترسی به منابع نور تابشی سینکروترونی می‌تواند امکانات جذابی را فراهم کند.

بندانگشتی|تصویری از میکروسکوپ الکترونی عبوری(TEM)

#### مقایسه با دیگر تکنیک‌ها
میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) و میکروسکوپ الکترونی اسکن (SEM): PEEM از این دو میکروسکوپ با استفاده از یک میدان شتاب‌دهنده الکتریکی در سطح نمونه متفاوت است. نمونه بخشی از سیستم الکترون-نوری است.

میکروسکوپ الکترونی با انرژی پایین (LEEM) و میکروسکوپ الکترونی آینه‌ای (MEM): این دو نوع میکروسکوپ انتشار الکترونی از تفنگ الکترونی برای تأمین پرتوهایی استفاده می‌کنند که به سمت نمونه هدایت می‌شوند، شتاب‌دهی شده و از نمونه بازتابیده یا درست قبل از رسیدن به نمونه بازتاب می‌شوند. در میکروسکوپ الکترونی فوتو-انتشاع (PEEM) از همان هندسه نمونه و عدسی غوطه‌ور استفاده می‌شود، اما تفنگ‌های الکترونی حذف می‌شوند.

### تکنولوژی‌های جدید PEEM
میکروسکوپ الکترونی فوتو-انتشاع با وضوح زمانی (TR-PEEM) برای مشاهده زمان واقعی فرآیندهای سریع روی سطوح با تابش سینکروترونی پالس‌شده برای روشنایی بسیار مناسب است. 

###### میکروسکوپ الکترونی فوتوگسیل چند فوتونی
PEEM چند فوتونی می‌تواند برای مطالعه تحریکات پلاسما سطحی موضعی در نانوکلسترها یا برای مشاهده مستقیم عمر الکترون داغ در فیلم‌های ساختار یافته با استفاده از لیزرهای فمتوثانیه‌ای به کار رود.

###### PEEM در مایعات و گازهای متراکم
توسعه سلول‌های مایع نازک میکروفابریک‌شده در اواخر دهه 1990 امکان تصویربرداری میکروسکوپ عبوری پرتو ایکس از نمونه‌های مایع و گازی محصور شده بین دو غشا را فراهم کرد. در این پیکربندی، سمت خلاء غشای دوم با ماده فوتو-انتشاع پوشانده شده بود و PEEM برای ضبط تغییرات فضایی نور عبوری استفاده شد. تصویربرداری واقعی PEEM از رابط‌های مایع در فوتو-الکترون‌ها از طریق غشاهای فوق‌نازک شفاف به الکترون مانند گرافن به واقعیت پیوسته است.  توسعه بیشتر سلول‌های مایع گرافن سازگار با UHV امکان انجام مطالعات الکتروشیمیایی و رابط‌های مایع-جامد برق‌زده را با استفاده از تنظیمات استاندارد PEEM بدون استفاده از پمپاژ تفاضلی فراهم کرده است.

## جستارهای وابسته

* میکروسکوپ الکترونی عبوری(TEM)
* میکروسکوپ الکترونی روبشی(SEM)
* اثر فتوالکتریک
* تفنگ الکترونی
* تابش

## یادداشت‌ها

## منابع

* *Magnetic Microscopy of Nanostructures. Hopster, H. (Herbert), Oepen, H. P. (1st ed.). Berlin: Springer. 2004. . OCLC 619242946.*
* James A. Samson, David L. Ederer (1998). Vacuum Ultraviolet Spectroscopy. Academic Press ISBN 0-12-617560-8
* *Hayes Griffith, O.; Engel, Wilfried (1991-05-01). "Historical perspective and current trends in emission microscopy, mirror electron microscopy and low-energy electron microscopy". Ultramicroscopy. *'36*' (1): 1–28. doi:10.1016/0304-3991(91)90135-S. ISSN 0304-3991. .*
* Andrzej Wieckowski, Elena R. Savinova, Constantinos G. Vayenas (2003). Catalysis and Electrocatalysis at Nanoparticle Surfaces. CRC Press ISBN 0-8247-0879-2
* Harm Hinrich Rotermund. Imaging of Dynamic Processes on Surface by Light. Surface Science Reports, 29 (1997) 265-364
* E. Bauer, M. Mundschau, W. Sweich, W. Telieps. Surface Studies by Low-energy Electron Microscopy (LEEM) and Conventional UV Photoemission Electron Microscopy (PEEM). Ultramicroscopy, 31 (1989) 49-57
* W. Engel, M. Kordesch, H.H. Rotermund, S. Kubala, A. von Oertzen. A UHV-compatible photoelectron emission microscope for applications in surface science. Ultramicroscopy, 36 (1991) 148-153
* H.H. Rotermund, W. Engel, M. Kordesch, G. Ertl. Imaging of spatio-temporal pattern evolution during carbon monoxide oxidation on platinum. *Nature*, 343 (1990) 355-357
* H.H. Rotermund, W. Engel, S. Jakubith, A. von Oertzen, G. Ertl. Methods and application of UV photoelectron microscopy in heterogeneous catalysis. Ultramicroscopy, 36 (1991) 164-172
* O. Renault, N. Barrett, A. Bailly, L.F. Zagonel, D. Mariolle, J.C. Cezar, N.B. Brookes, K. Winkler, B. Krömker and D. Funnemann, Energy-filtered XPEEM with NanoESCA using synchrotron and laboratory X-ray sources: Principles and first demonstrated results; Surface Science, Volume 601, Issue 20, 15 October 2007, Pages 4727–4732. doi:10.1016/j.susc.2007.05.061

رده:مقاله‌های ایجادشده توسط ایجادگر