Microscopía de electrones de baja energía

Seamos honrados. NO tenemos un LEEM (microscopio de electrones de baja energía). Nos gustaría tenerlo, pero el único LEEM en España de momento está en el sincrotrón español (la línea CIRCE en ALBA, con quienes tenemos una estupenda colaboración). Sin embargo pensamos que esta técnica tiene el potencial para revolucionar cómo entendemos la dinámica sobre las superficies, y hemos estado usando LEEM durante bastante tiempo en la última década.  La carencia de un instrumento nos brinda la oportunidad de mantener activas y provechosas colaboraciones, especialmente con nuestros colegas de USA, Kevin F. McCarty (Sandia Nat Labs, USA, que tiene una versión comercial de Elmitec) y Andreas K. Schmid (Berkeley Lab, USA), que está al cargo del LEEM con polarización en spin en el Nacional Center for Electron Microscopy, en el Laboratorio de Berkeley, o Lucía Aballe y Michael Foerster del propio sincrotrón ALBA. Por cierto, si el número de LEEMs en todo el mundo está en las decenas, el número de ellos con polarización en spin se puede contar con los dedos de una mano y sobran varios.

leem 06Un LEEM es muy similar en concepto y diseño a un Transmission Electron Microscope pero con electrones reflejados: un haz de electrones de unas pocas decenas de keV se enfoca por medio de varias lentes electromagnéticas, y se decelera hasta energía de unos pocos electronvoltios  antes de llegar a la muestra. Los electrones reflejados se aceleran de nuevo a alta energía (las aberraciones son ya suficientemente malas a más altas energías), antes de que se amplifica su distribución por varias lentes y se obtiene una imagen con un conjunto de channel-plates y una pantalla fosforescente. Lo mejor es que esta técnica es muy rápida, ya que no es una técnica de barrido. Se pueden adquirir en tiempo real videos de la evolución de la superficie con resolución nanométrica (ok, 10 nm). ¡No has visto crecimiento de películas hasta que has visto crecer islas de monocapas en tiempo real!. Se puede ver una película que muestra el crecimiento de Co sobre Ru aquí. Pueden surgir sorpresas con este tipo de vista dinámica de las superficies, tales como el crecimiento en serpentinas de PD sobre Ru publicado por nosotros. Además, este microscopio permite realizar difracción de electrones de baja energía (LEED) en áreas seleccionadas (de tamaño micrométrico o incluso menores) de la superficie. Si has tomado alguna vez un patrón de LEED complejo de una superficie, sabes que es tedioso tener todos los patrones desde cada esquina de la muestra juntos. Con un microscopio LEEM, puedes tener solo los patrones de una sola terraza (mira nuestra publicación sobre los patrones de LEED de una sola terraza en un substrato hcp). O puedes usar contraste de difracción para obtener imágenes de las áreas de la superficie en un punto de difracción dado (el denominado modo de obtención de imágenes de campo oscuro de TEEM). Explotamos este modo de trabajo cuando entendimos la evolución de dos capas de cobre sobre rutenio como se presentó en nuestra publicación en Science. Pero mejor aún: puedes usar una fuente de electrones polarizados en spin y hacer Spin-Polarized Energy Electron Microscopy (SPLEEM). Entonces puedes ver la magnetización de una película de monocapa en tiempo real cuando cambias la temperatura. O determinar los tres componentes del vector de magnetización en una película ferromagnética, un componente cada vez. Para ver un buen ejemplo del tipo de investigación que hemos realizado con esto, puedes ver este Physical Review Focus.

Si tienes un sincrotrón, puedes obtener imágenes de Fotoemisión con el mismo instrumento. Incluso es posible dicroismo de rayos X. De una sola isla. Para eso, creemos que es un buen ejemplo nuestro trabajo sobre "nanometer-thick magnetite" o el trabajo similar realizado con islas de óxido de hierro y cobalto reseñado en esta nota de prensa del CSIC.

Esperamos haberte convencido de que LEEM es mucho, mucho mejor que tener un sistema de ciencia de superficies tradicional. De modo que ¿porqué no todo el mundo dedicado a la ciencia de superficies (LEED, XPS, ...) tiene un aparato de estos en su laboratorio (empezando por nosotros)? Bueno, por una parte, es "de poca resolución" comparado con el microscopio túnel de barrido (STM). Se consigue una resolución de alrededor de 10 nm en sistemas comerciales (los venden dos compañías, Specs y Elmitec). Para mayor resolución se necesitan correcciones de la aberración (con lo que se puede llegar a alrededor de 2 nm). Y para ser sincero, es caro. Bueno, no tan caro, el coste de los sistemas de entrada es similar a un STM totalmente equipado, pero aunque para éste último podemos hacer trampas y construir la mayor parte de él nosotros mismos (incluyendo el STM), construir un LEEM está un poco fuera de nuestro área de experiencia.

De modo que la conclusión es, no, no tenemos uno (hasta ahora), pero esperamos sin embargo que esta técnica sea mucho más común en un futuro próximo. Hay unas pocas introducciones  por los distintos grupos que usan estos instrumentos. Estas son unas pocas de las más relevantes (sin pretender tener una lista completa, pero con un poco de inmodesta autopromoción):

 

  • La página web Leem-User
  • Un cuidado artículo de revisión publicado en Physics Today por Raymond J. Phaneuf y Andreas Schmid.
  • Un capítulo sobre "low-energy electron microscopy"  (puedes encontrar una versión en borrador aquí) escrito entre J. de la Figuera y K.F. McCarty y publicado en el volumen "Surface Science Techniques, recopilado por G. Bracco y B. Holst, como parte de Springer Series in Surface Sciences, 51 (2013) 531.