Ultravioleta extrema

La radiación ultravioleta extrema (UVE o XUV) o radiación ultravioleta de alta energía es la radiación electromagnética en la parte del espectro electromagnético que abarca longitudes de onda más cortas que la línea Lyman-alfa del hidrógeno desde 121 nm hasta la banda de rayos X de 10 nm. Según la ecuación de Planck-Einstein, los fotones UVE tienen energías desde 10,26 eV hasta 124,24 eV, donde ingresamos las energías de rayos X. La UVE se genera de manera natural por la corona solar y artificialmente por plasma, fuentes de generación de armónicos altos y fuentes de luz de sincrotrón. Dado que la UVC se extiende hasta los 100 nm, existe cierta superposición en los términos.

Los principales usos de la radiación ultravioleta extrema son la espectroscopia fotoelectrónica, la obtención de imágenes solares y la litografía. En el aire, la radiación ultravioleta extrema es el componente más absorbido del espectro electromagnético, por lo que se requiere un alto vacío para su transmisión.

Generación EUV

Los átomos neutros o la materia condensada no tienen transiciones de energía lo suficientemente grandes como para emitir radiación ultravioleta extrema. Primero debe producirse la ionización. La luz ultravioleta extrema solo puede ser emitida por electrones que están ligados a iones positivos con carga múltiple; por ejemplo, para eliminar un electrón de un ion de carbono con carga +3 (ya se han eliminado tres electrones) se requieren aproximadamente 65 eV. Dichos electrones están ligados con mayor fuerza que los electrones de valencia típicos. La existencia de iones positivos con carga múltiple solo es posible en un plasma denso y caliente. Alternativamente, los electrones e iones libres pueden generarse temporal e instantáneamente por el intenso campo eléctrico de un rayo láser de armónicos muy altos. Los electrones se aceleran a medida que regresan al ion original, liberando fotones de mayor energía a intensidades reducidas, que pueden estar en el rango ultravioleta extrema. 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 escapan porque el campo eléctrico de la luz ultravioleta extrema no es lo suficientemente intenso como para impulsar a los electrones a armónicos superiores, 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 (ionización) de la luz ultravioleta extrema compiten fuertemente entre sí.

Sin embargo, en 2011, Shambhu Ghimire et al. observaron por primera vez la generación de armónicos elevados en cristales de óxido de zinc. Esto suscita interés por investigar la posibilidad y el mecanismo de la HHG en estado sólido. La radiación EUV puede emitirse en dióxido de silicio o zafiro.

Generación directa y ajustable de EUV

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

Se puede generar luz ultravioleta extrema de banda estrecha continuamente ajustable mediante la mezcla de cuatro ondas en celdas de gas de criptón e hidrógeno a longitudes de onda tan bajas como 110 nm. En cámaras de gas sin ventanas se ha observado una mezcla fija de cuatro ondas de tan solo 75 nm.

Cuando se absorbe un fotón EUV, 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.

La respuesta de la materia a la radiación ultravioleta extrema se puede plasmar en las siguientes ecuaciones:

Punto de absorción:

Energía del fotón EUV = 92 eV, = energía de enlace del electrón + energía cinética inicial del fotoelectrón

En el espacio de 3 recorridos libres medios del fotoelectrón (1–2 nm):

Reducción de la energía cinética de los fotoelectrones = potencial de ionización + energía cinética del electrón secundario;

En el espacio de 3 trayectorias libres medias del electrón secundario (~30 nm):

1. Reducción de la energía cinética de electrones secundario = potencial de ionización + energía cinética de electrones terciarios
2. m El electrón de la generación Nth disminuye a un lado de la ionización por la calefacción (generación fonónica)
3. Generación final electron kinetic energy ~ 0 eV = accesorio disociativo de electrones + calor, donde el potencial de ionización es típicamente 7–9 eV para materiales orgánicos y 4–5 eV para metales.

El fotoelectrón provoca posteriormente la emisión de electrones secundarios mediante el proceso de ionización por impacto. En ocasiones, también es posible una transición Auger, que da lugar a la emisión de dos electrones con la absorción de un único fotón.

En sentido estricto, los fotoelectrones, los electrones Auger y los electrones secundarios están acompañados de huecos con carga positiva (iones que pueden neutralizarse extrayendo electrones de moléculas cercanas) para preservar la neutralidad de la carga. A un par electrón-hueco se le suele llamar excitón. En el caso de electrones muy energéticos, la separación entre electrones y huecos puede ser bastante grande y la energía de enlace es correspondientemente baja, pero a menor energía, el electrón y el hueco pueden estar más cerca uno del otro. El propio excitón se difunde a una distancia bastante grande (>10 nm). Como su nombre lo indica, un excitón es un estado excitado; solo cuando desaparece a medida que el electrón y el hueco se recombinan, se pueden formar productos de reacción química estables.

Dado que la profundidad de absorción de los fotones excede la profundidad de escape de los electrones, a medida que los electrones liberados finalmente pierden velocidad, disipan su energía en forma de calor. Las longitudes de onda EUV se absorben con mucha más fuerza que las longitudes de onda más largas, ya que sus energías de fotones correspondientes exceden las bandas prohibidas 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.

Mínimos/máximos solares

Ciertas longitudes de onda de la radiación ultravioleta extrema varían hasta en un factor de 50 entre los mínimos y máximos solares, lo que puede contribuir al calentamiento estratosférico y a la producción de ozono. Estos factores, a su vez, pueden afectar la circulación atmosférica y los patrones climáticos a lo largo de ciclos solares de corto y largo plazo.

Al igual que otras formas de radiación ionizante, la radiación ultravioleta extrema y los electrones liberados directa o indirectamente por la radiación ultravioleta extrema son una fuente probable de daños en el dispositivo. Los daños pueden ser resultado de la desorción de óxido o de la carga atrapada después de la ionización. También pueden producirse daños a través de la carga positiva indefinida por el efecto Malter. Si los electrones libres no pueden volver para neutralizar la carga positiva neta, la desorción de iones positivos es la única forma de restaurar la neutralidad. Sin embargo, la desorción significa esencialmente que la superficie se degrada durante la exposición y, además, los átomos desorbidos contaminan cualquier componente óptico expuesto. El daño por radiación ultravioleta extrema ya se ha documentado en el envejecimiento por radiación CCD del telescopio de imágenes ultravioleta extremas (EIT).

El daño por radiación es un problema bien conocido que se ha estudiado en el proceso de daño por procesamiento de plasma. Un estudio reciente en el Sincrotrón de la Universidad de Wisconsin indicó que las longitudes de onda inferiores a 200 nm son capaces de generar una carga superficial medible. La radiación EUV mostró una carga positiva centímetros 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.

Estudios realizados con pulsos de femtosegundos de luz ultravioleta extrema en el láser de electrones libres de Hamburgo (FLASH) indicaron umbrales de daño inducidos por fusión térmica por debajo de los 100 mJ/cm².

Un estudio anterior demostró que los electrones producidos por la radiación ionizante "suave" aún podían penetrar aproximadamente 100 nm por debajo de la superficie, lo que provocaba calentamiento.