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Radiación ultravioleta extrema

Agosto 04, 2021

La radiación ultravioleta extrema (UVE, EUV por sus siglas en inglés o XUV) o la radiación ultravioleta de alta energía es una radiación electromagnética en la parte del espectro electromagnético que abarca longitudes de onda de 124 nm a 10 nm, y por lo tanto (por la ecuación de Planck-Einstein) que tienen fotones con energías de 10 eV hasta 124 eV (correspondientes a 124 nm a 10 nm, respectivamente). La UVE es generada naturalmente por la corona solar y artificialmente por las fuentes de luz de plasma y sincrotrón. Como los UVC se extienden a 100 nm, existe cierta superposición en los términos.

Imagen ultravioleta extrema del Sol (rojo: 21.1 nm, verde: 19.3 nm, azul: 17.1 nm) tomada por el Observatorio de Dinámica Solar el 1 de agosto de 2010 que muestra una erupción solar y una eyección de masa coronal
La luz ultravioleta extrema de 13,5 nm se utiliza comercialmente para la fotolitografía como parte del proceso de fabricación de semiconductores. Esta imagen muestra una herramienta experimental temprana.

Sus usos principales son la espectroscopia fotoelectrónica, la obtención de imágenes solares y la litografía.

En el aire, UVEes el componente más absorbido del espectro electromagnético, que requiere un alto vacío para la transmisión.

Generación de UVE

Los átomos neutros o la materia condensada no pueden emitir radiación UVE. La ionización debe tener lugar primero. La luz UVE solo puede ser emitida por electrones que están unidos a iones positivos multicompartidos; por ejemplo, para eliminar un electrón de un ión de carbono cargado +3 (tres electrones ya eliminados) se requieren aproximadamente 65 eV.[1]​ Dichos electrones están más estrechamente unidos que los electrones de valencia típicos. La existencia de iones positivos multicompartidos solo es posible en un plasma denso caliente. Alternativamente, los electrones e iones libres pueden generarse temporalmente e instantáneamente por el campo eléctrico intenso de un rayo láser de muy alto armónico. Los electrones se aceleran a medida que regresan al ion padre, liberando fotones de mayor energía a intensidades disminuidas, que pueden estar en el rango de UVE. Si los fotones liberados constituyen radiación ionizante, también ionizarán los átomos del medio generador de armónicos, agotando las fuentes de generación de armónicos superiores. Los electrones liberados se escapan ya que el campo eléctrico de la luz UVE no es lo suficientemente intenso como para llevar a los electrones a armónicos más altos, mientras que los iones originales ya no se ionizan tan fácilmente como los átomos originalmente neutros. Por lo tanto, los procesos de generación y absorción de UVE (ionización) compiten fuertemente entre sí.

Generación directa sintonizable de UVE

La luz UVE también puede ser emitida por electrones libres que orbitan un sincrotrón.

La luz UVE de banda estrecha y sintonizable de manera continua puede generarse mediante la mezcla de cuatro ondas en celdas de gas de criptón e hidrógeno a longitudes de onda tan bajas como 110 nm. En las cámaras de gas sin ventanas, la mezcla de cuatro ondas fijas se ha visto tan baja como 75 nm.

Absorción de UVE en la materia.

Cuando se absorbe un fotón UVE, se generan fotoelectrones y electrones secundarios por ionización, de forma muy similar a lo que ocurre cuando los rayos X o los haces de electrones son absorbidos por la materia.[2]​

La respuesta de la materia a la radiación UVE se puede capturar en las siguientes ecuaciones: Punto de absorción: Energía de fotones UVE = 92 eV = Energía de enlace de electrones + energía cinética inicial fotoelectrónica; dentro de las 3 rutas medias libres de fotoelectrón (1–2 nm): reducción de la energía cinética del fotoelectrón = potencial de ionización + energía cinética del electrón secundario; dentro de 3 vías libres medias de electrones secundarios (~30 nm): 1) reducción de la energía cinética del electrón secundario = potencial de ionización + energía cinética del electrón terciario, 2) el electrón de generación mN se ralentiza aparte de la ionización por calentamiento (generación fonón), 3) Energía cinética de electrones de generación final ~0 eV => acoplamiento de electrones disociativos + calor, donde el potencial de ionización suele ser de 7–9 eV para materiales orgánicos y de 4–5 eV para metales. El fotoelectrón posteriormente provoca la emisión de electrones secundarios a través del proceso de ionización por impacto. A veces, también es posible una transición de Auger, lo que resulta en la emisión de dos electrones con la absorción de un solo fotón.

Estrictamente hablando, los fotoelectrones, los electrones Auger y los electrones secundarios están acompañados de agujeros cargados positivamente (iones que pueden neutralizarse al extraer electrones de las moléculas cercanas) para preservar la neutralidad de la carga. Un par de agujeros de electrones a menudo se conoce como un excitón. Para electrones altamente energéticos, la separación del agujero de electrones puede ser bastante grande y la energía de enlace es correspondientemente baja, pero a una energía más baja, el electrón y el agujero pueden estar más cerca uno del otro. El excitón en sí difunde una distancia bastante grande (>10 nm).[3]​ Como su nombre lo indica, un excitón es un estado excitado; solo cuando desaparece a medida que el electrón y el agujero se recombinan, se pueden formar productos de reacción química estables.

Dado que la profundidad de absorción del fotón excede la profundidad de escape del electrón, a medida que los electrones liberados finalmente disminuyen su velocidad, en última instancia, disipan su energía como calor. Las longitudes de onda de UVE se absorben mucho más fuertemente que las longitudes de onda más largas, ya que sus energías de fotones correspondientes superan los intervalos de banda de todos los materiales. En consecuencia, su eficiencia de calentamiento es significativamente mayor y se ha caracterizado por umbrales de ablación térmica más bajos en materiales dieléctricos.[4]​

Solar mínima/máxima

Ciertas longitudes de onda de UVE varían tanto como dos órdenes de magnitud[5]​ entre los mínimos solares y los máximos, y por lo tanto puede contribuir a los cambios climáticos, especialmente el enfriamiento de la atmósfera durante el mínimo solar.

Daños en UVE

Al igual que otras formas de radiación ionizante, la UVE y los electrones liberados directa o indirectamente por la radiación UVE son una fuente probable de daños en el dispositivo. El daño puede resultar de la desorción de óxido[6]​ o carga atrapada después de la ionización.[7]​ El daño también puede ocurrir a través de una carga positiva indefinida por el efecto Malter. Si los electrones libres no pueden volver a neutralizar la carga positiva neta, la desorción de iones positiva[8]​ es la única manera de restaurar la neutralidad. Sin embargo, la desorción esencialmente significa que la superficie se degrada durante la exposición, y además, los átomos desorbidos contaminan cualquier óptica expuesta. El daño de UVE ya ha sido documentado[9]​ en el envejecimiento de la radiación CCD del Extreme UV Imaging Telescope (EIT).[10]​

El daño por radiación es un problema bien conocido que se ha estudiado en el proceso de procesamiento del daño por plasma. Un estudio reciente en la Universidad de Wisconsin Synchrotron indicó que las longitudes de onda por debajo de 200 nm son capaces de una carga superficial medible.[11]​ La radiación UVE mostró centímetros de carga positiva más allá de los límites de exposición, mientras que la radiación VUV (Ultravioleta de vacío) mostró una carga positiva dentro de los límites de exposición.

Los estudios que utilizan pulsos de femtosegundo UVE en el láser de electrones libres en Hamburgo (FLASH) indicaron umbrales de daño inducidos por fusión térmica por debajo de 100 mJ/cm2.[12]​

Un estudio anterior[13]​ mostró que los electrones producidos por la radiación ionizante "suave" aún podían penetrar ~100 nm por debajo de la superficie, lo que resultaba en calentamiento.

Véase también

Referencias

  1. «La tabla periódica de los elementos por WebElements.». www.webelements.com. 
  2. B. L . Henke et al., J. Appl. Phys. 48, pp. 1852–1866 (1977).
  3. P. Broms et al., Adv. Mat. 11, 826–832 (1999).
  4. A. Ritucci et al., "Daño y ablación de dieléctricos de banda ancha inducidos por un rayo láser de 46,9 nm", March 9, 2006 report UCRL-JRNL-219656 el 25 de enero de 2017 en Wayback Machine. (Lawrence Livermore National Laboratory).
  5. [1]
  6. D. Ercolani et al., Adv. Funct. Mater. 15, pp. 587–592 (2005).
  7. D. J. DiMaria et al., J. Appl. Phys. 73, pp. 3367–3384 (1993).
  8. H. Akazawa, J. Vac. Sci. & Tech. A 16, pp. 3455–3459 (1998).
  9. [2]
  10. J.-M. Defise et al., Proc. SPIE 3114, pp. 598–607 (1997).
  11. J. L. Shohet, http://pptl.engr.wisc.edu/Nuggets%20v9a.ppt el 29 de agosto de 2006 en Wayback Machine.
  12. R. Sobierajski et al., http://hasyweb.desy.de/science/annual_reports/2006_report/part1/contrib/40/17630.pdf
  13. «FEL 2004 - Interacciones de pulso VUV con sólidos». 


  •   Datos: Q1385457
  •   Multimedia: Extreme ultraviolet light

Agosto 04, 2021
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La radiacion ultravioleta extrema UVE EUV por sus siglas en ingles o XUV o la radiacion ultravioleta de alta energia es una radiacion electromagnetica en la parte del espectro electromagnetico que abarca longitudes de onda de 124 nm a 10 nm y por lo tanto por la ecuacion de Planck Einstein que tienen fotones con energias de 10 eV hasta 124 eV correspondientes a 124 nm a 10 nm respectivamente La UVE es generada naturalmente por la corona solar y artificialmente por las fuentes de luz de plasma y sincrotron Como los UVC se extienden a 100 nm existe cierta superposicion en los terminos Imagen ultravioleta extrema del Sol rojo 21 1 nm verde 19 3 nm azul 17 1 nm tomada por el Observatorio de Dinamica Solar el 1 de agosto de 2010 que muestra una erupcion solar y una eyeccion de masa coronal La luz ultravioleta extrema de 13 5 nm se utiliza comercialmente para la fotolitografia como parte del proceso de fabricacion de semiconductores Esta imagen muestra una herramienta experimental temprana Sus usos principales son la espectroscopia fotoelectronica la obtencion de imagenes solares y la litografia En el aire UVEes el componente mas absorbido del espectro electromagnetico que requiere un alto vacio para la transmision Indice 1 Generacion de UVE 1 1 Generacion directa sintonizable de UVE 2 Absorcion de UVE en la materia 2 1 Solar minima maxima 3 Danos en UVE 4 Vease tambien 5 ReferenciasGeneracion de UVE EditarLos atomos neutros o la materia condensada no pueden emitir radiacion UVE La ionizacion debe tener lugar primero La luz UVE solo puede ser emitida por electrones que estan unidos a iones positivos multicompartidos por ejemplo para eliminar un electron de un ion de carbono cargado 3 tres electrones ya eliminados se requieren aproximadamente 65 eV 1 Dichos electrones estan mas estrechamente unidos que los electrones de valencia tipicos La existencia de iones positivos multicompartidos solo es posible en un plasma denso caliente Alternativamente los electrones e iones libres pueden generarse temporalmente e instantaneamente por el campo electrico intenso de un rayo laser de muy alto armonico Los electrones se aceleran a medida que regresan al ion padre liberando fotones de mayor energia a intensidades disminuidas que pueden estar en el rango de UVE Si los fotones liberados constituyen radiacion ionizante tambien ionizaran los atomos del medio generador de armonicos agotando las fuentes de generacion de armonicos superiores Los electrones liberados se escapan ya que el campo electrico de la luz UVE no es lo suficientemente intenso como para llevar a los electrones a armonicos mas altos mientras que los iones originales ya no se ionizan tan facilmente como los atomos originalmente neutros Por lo tanto los procesos de generacion y absorcion de UVE ionizacion compiten fuertemente entre si Generacion directa sintonizable de UVE Editar La luz UVE tambien puede ser emitida por electrones libres que orbitan un sincrotron La luz UVE de banda estrecha y sintonizable de manera continua puede generarse mediante la mezcla de cuatro ondas en celdas de gas de cripton e hidrogeno a longitudes de onda tan bajas como 110 nm En las camaras de gas sin ventanas la mezcla de cuatro ondas fijas se ha visto tan baja como 75 nm Absorcion de UVE en la materia EditarCuando se absorbe un foton UVE se generan fotoelectrones y electrones secundarios por ionizacion de forma muy similar a lo que ocurre cuando los rayos X o los haces de electrones son absorbidos por la materia 2 La respuesta de la materia a la radiacion UVE se puede capturar en las siguientes ecuaciones Punto de absorcion Energia de fotones UVE 92 eV Energia de enlace de electrones energia cinetica inicial fotoelectronica dentro de las 3 rutas medias libres de fotoelectron 1 2 nm reduccion de la energia cinetica del fotoelectron potencial de ionizacion energia cinetica del electron secundario dentro de 3 vias libres medias de electrones secundarios 30 nm 1 reduccion de la energia cinetica del electron secundario potencial de ionizacion energia cinetica del electron terciario 2 el electron de generacion mN se ralentiza aparte de la ionizacion por calentamiento generacion fonon 3 Energia cinetica de electrones de generacion final 0 eV gt acoplamiento de electrones disociativos calor donde el potencial de ionizacion suele ser de 7 9 eV para materiales organicos y de 4 5 eV para metales El fotoelectron posteriormente provoca la emision de electrones secundarios a traves del proceso de ionizacion por impacto A veces tambien es posible una transicion de Auger lo que resulta en la emision de dos electrones con la absorcion de un solo foton Estrictamente hablando los fotoelectrones los electrones Auger y los electrones secundarios estan acompanados de agujeros cargados positivamente iones que pueden neutralizarse al extraer electrones de las moleculas cercanas para preservar la neutralidad de la carga Un par de agujeros de electrones a menudo se conoce como un exciton Para electrones altamente energeticos la separacion del agujero de electrones puede ser bastante grande y la energia de enlace es correspondientemente baja pero a una energia mas baja el electron y el agujero pueden estar mas cerca uno del otro El exciton en si difunde una distancia bastante grande gt 10 nm 3 Como su nombre lo indica un exciton es un estado excitado solo cuando desaparece a medida que el electron y el agujero se recombinan se pueden formar productos de reaccion quimica estables Dado que la profundidad de absorcion del foton excede la profundidad de escape del electron a medida que los electrones liberados finalmente disminuyen su velocidad en ultima instancia disipan su energia como calor Las longitudes de onda de UVE se absorben mucho mas fuertemente que las longitudes de onda mas largas ya que sus energias de fotones correspondientes superan los intervalos de banda de todos los materiales En consecuencia su eficiencia de calentamiento es significativamente mayor y se ha caracterizado por umbrales de ablacion termica mas bajos en materiales dielectricos 4 Solar minima maxima Editar Ciertas longitudes de onda de UVE varian tanto como dos ordenes de magnitud 5 entre los minimos solares y los maximos y por lo tanto puede contribuir a los cambios climaticos especialmente el enfriamiento de la atmosfera durante el minimo solar Danos en UVE EditarAl igual que otras formas de radiacion ionizante la UVE y los electrones liberados directa o indirectamente por la radiacion UVE son una fuente probable de danos en el dispositivo El dano puede resultar de la desorcion de oxido 6 o carga atrapada despues de la ionizacion 7 El dano tambien puede ocurrir a traves de una carga positiva indefinida por el efecto Malter Si los electrones libres no pueden volver a neutralizar la carga positiva neta la desorcion de iones positiva 8 es la unica manera de restaurar la neutralidad Sin embargo la desorcion esencialmente significa que la superficie se degrada durante la exposicion y ademas los atomos desorbidos contaminan cualquier optica expuesta El dano de UVE ya ha sido documentado 9 en el envejecimiento de la radiacion CCD del Extreme UV Imaging Telescope EIT 10 El dano por radiacion es un problema bien conocido que se ha estudiado en el proceso de procesamiento del dano por plasma Un estudio reciente en la Universidad de Wisconsin Synchrotron indico que las longitudes de onda por debajo de 200 nm son capaces de una carga superficial medible 11 La radiacion UVE mostro centimetros de carga positiva mas alla de los limites de exposicion mientras que la radiacion VUV Ultravioleta de vacio mostro una carga positiva dentro de los limites de exposicion Los estudios que utilizan pulsos de femtosegundo UVE en el laser de electrones libres en Hamburgo FLASH indicaron umbrales de dano inducidos por fusion termica por debajo de 100 mJ cm2 12 Un estudio anterior 13 mostro que los electrones producidos por la radiacion ionizante suave aun podian penetrar 100 nm por debajo de la superficie lo que resultaba en calentamiento Vease tambien Editar Portal Fisica Contenido relacionado con Fisica Extreme Ultraviolet Explorer CHIPSatReferencias Editar La tabla periodica de los elementos por WebElements www webelements com B L Henke et al J Appl Phys 48 pp 1852 1866 1977 P Broms et al Adv Mat 11 826 832 1999 A Ritucci et al Dano y ablacion de dielectricos de banda ancha inducidos por un rayo laser de 46 9 nm March 9 2006 report UCRL JRNL 219656 Archivado el 25 de enero de 2017 en Wayback Machine Lawrence Livermore National Laboratory 1 D Ercolani et al Adv Funct Mater 15 pp 587 592 2005 D J DiMaria et al J Appl Phys 73 pp 3367 3384 1993 H Akazawa J Vac Sci amp Tech A 16 pp 3455 3459 1998 2 J M Defise et al Proc SPIE 3114 pp 598 607 1997 J L Shohet http pptl engr wisc edu Nuggets 20v9a ppt Archivado el 29 de agosto de 2006 en Wayback Machine R Sobierajski et al http hasyweb desy de science annual reports 2006 report part1 contrib 40 17630 pdf FEL 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