Ultravioleta extremo - Extreme ultraviolet

"EUV" redireciona aqui. Para a técnica de litografia, consulte Litografia ultravioleta extrema .
Imagem composta ultravioleta extrema do Sol (vermelho: 21,1 nm, verde: 19,3 nm, azul: 17,1 nm) tirada pelo Solar Dynamics Observatory em 1 de agosto de 2010, mostrando uma explosão solar e ejeção de massa coronal
A luz ultravioleta extrema de 13,5 nm é usada comercialmente para fotolitografia como parte do processo de fabricação de semicondutores . Esta imagem mostra uma ferramenta experimental inicial.

A radiação ultravioleta extrema ( EUV ou XUV ) ou radiação ultravioleta de alta energia é a radiação eletromagnética na parte do espectro eletromagnético abrangendo comprimentos de onda de 124  nm a 10 nm e, portanto (pela equação de Planck-Einstein ) tendo fótons com energias de 10  eV até 124 eV (correspondendo a 124 nm a 10 nm, respectivamente). O EUV é gerado naturalmente pela coroa solar e artificialmente por plasma , fontes de alta geração de harmônicos e fontes de luz síncrotron . Como o UVC se estende a 100 nm, há alguma sobreposição nos termos.

Os principais usos da radiação ultravioleta extrema são espectroscopia de fotoelétrons , imagens solares e litografia . No ar , EUV é o componente mais altamente absorvido do espectro eletromagnético, exigindo alto vácuo para transmissão.

Geração EUV

Átomos neutros ou matéria condensada não podem emitir radiação EUV. A ionização deve ocorrer primeiro. A luz EUV só pode ser emitida por elétrons ligados a íons positivos multicarregados; por exemplo, para remover um elétron de um íon de carbono carregado +3 (três elétrons já removidos) requer cerca de 65 eV . Esses elétrons são mais fortemente ligados do que os elétrons de valência típicos . A existência de íons positivos multicarregados só é possível em um plasma quente e denso . Alternativamente, os elétrons e íons livres podem ser gerados temporária e instantaneamente pelo intenso campo elétrico de um feixe de laser harmônico muito alto . Os elétrons se aceleram à medida que retornam ao íon pai, liberando fótons de maior energia em intensidades diminuídas, que podem estar na faixa de EUV. Se os fotões divulgados constituem radiação ionizante , que também irá ionizar os átomos do harmónico médio -generating, esgotar as fontes de geração superior-harmónica. Os elétrons liberados escapam porque o campo elétrico da luz EUV não é intenso o suficiente para conduzir os elétrons a harmônicos mais elevados, enquanto os íons pais não são mais ionizados tão facilmente quanto os átomos originalmente neutros. Conseqüentemente, os processos de geração e absorção de EUV (ionização) competem fortemente entre si.

No entanto, em 2011, Shambhu Ghimire et al. observada pela primeira vez a geração de harmônicos elevados no ZnO de cristal em massa. Deseja investir a possibilidade e o mecanismo de HHG em estado sólido. A radiação EUV pode ser emitida em SiO 2 ou Sapphire .

Geração sintonizável direta de EUV

A luz EUV também pode ser emitida por elétrons livres orbitando um síncrotron .

A luz EUV de banda estreita continuamente ajustável pode ser gerada pela mistura de quatro ondas em células de gás de criptônio e hidrogênio em comprimentos de onda tão baixos quanto 110 nm. Em câmaras de gás sem janelas, a mistura de quatro ondas fixas pode ser observada em até 75 nm.

Absorção EUV na matéria

Quando um fóton EUV é absorvido, fotoelétrons e elétrons secundários são gerados por ionização , muito parecido com o que acontece quando os raios X ou feixes de elétrons são absorvidos pela matéria.

A resposta da matéria à radiação EUV pode ser capturada nas seguintes equações: Ponto de absorção: Energia do fóton EUV = 92 eV = Energia de ligação do elétron + energia cinética inicial do fotoelétron; dentro de 3 caminhos livres médios do fotoelétron (1–2 nm): redução da energia cinética do fotoelétron = potencial de ionização + energia cinética do elétron secundário; dentro de 3 caminhos livres médios do elétron secundário (~ 30 nm): 1) redução da energia cinética do elétron secundário = potencial de ionização + energia cinética do elétron terciário, 2) O elétron da mNésima geração desacelera além da ionização por aquecimento ( geração de fônons ), 3) energia cinética do elétron da geração final ~ 0 eV => fixação dissociativa do elétron + calor, onde o potencial de ionização é tipicamente 7-9 eV para materiais orgânicos e 4-5 eV para metais. O fotoelétron subsequentemente causa a emissão de elétrons secundários através do processo de ionização por impacto . Às vezes, uma transição Auger também é possível, resultando na emissão de dois elétrons com a absorção de um único fóton.

Estritamente falando, fotoelétrons, elétrons Auger e elétrons secundários são todos acompanhados por buracos carregados positivamente (íons que podem ser neutralizados puxando elétrons de moléculas próximas) para preservar a neutralidade de carga. Um par elétron-buraco é freqüentemente referido como um exciton . Para elétrons altamente energéticos, a separação elétron-buraco pode ser bastante grande e a energia de ligação é correspondentemente baixa, mas com energia mais baixa, o elétron e o buraco podem estar mais próximos um do outro. O próprio exciton se difunde por uma grande distância (> 10 nm). Como o nome indica, um exciton é um estado excitado; somente quando ele desaparece conforme o elétron e o buraco se recombinam, os produtos de reação química estáveis ​​podem se formar.

Como a profundidade de absorção do fóton excede a profundidade de escape do elétron, conforme os elétrons liberados eventualmente diminuem, eles dissipam sua energia na forma de calor. Os comprimentos de onda EUV são absorvidos muito mais fortemente do que os comprimentos de onda mais longos, uma vez que suas energias de fótons correspondentes excedem os bandgaps de todos os materiais. Consequentemente, sua eficiência de aquecimento é significativamente maior e foi marcada por limites de ablação térmica mais baixos em materiais dielétricos.

Solar mínimo / máximo

Certos comprimentos de onda de EUV variam em até 2 ordens de magnitude entre os mínimos e máximos solares e , portanto, podem contribuir para as mudanças climáticas , notadamente o resfriamento da atmosfera durante o mínimo solar .

Danos EUV

Como outras formas de radiação ionizante , EUV e elétrons liberados direta ou indiretamente pela radiação EUV são uma fonte provável de danos ao dispositivo . Os danos podem resultar da dessorção do óxido ou carga retida após a ionização. Danos também podem ocorrer por meio de carga positiva indefinida pelo efeito Malter . Se os elétrons livres não podem retornar para neutralizar a carga positiva líquida, a dessorção de íons positivos é a única maneira de restaurar a neutralidade. No entanto, a dessorção significa essencialmente que a superfície é degradada durante a exposição e, além disso, os átomos dessorvidos contaminam qualquer óptica exposta. Danos EUV já foram documentados no envelhecimento da radiação CCD do Extreme UV Imaging Telescope (EIT).

O dano por radiação é um problema bem conhecido que tem sido estudado no processo de dano de processamento de plasma. Um estudo recente da University of Wisconsin Synchrotron indicou que comprimentos de onda abaixo de 200 nm são capazes de carga de superfície mensurável. A radiação EUV mostrou carga positiva em centímetros além das fronteiras de exposição, enquanto a radiação VUV (Ultravioleta a Vácuo) mostrou carga positiva dentro das fronteiras de exposição.

Estudos usando pulsos de femtossegundos EUV no Laser Eletrônico Livre em Hamburgo ( FLASH ) indicaram limiares de danos induzidos por fusão térmica abaixo de 100 mJ / cm 2 .

Um estudo anterior mostrou que os elétrons produzidos pela radiação ionizante 'suave' ainda podiam penetrar ~ 100 nm abaixo da superfície, resultando em aquecimento.

Veja também

Referências

links externos