Ultravioleta extremo

La radiación ultravioleta extrema ( EUV ^{[ 1 ]} o XUV ) o radiación ultravioleta de alta energía es 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 EUV tienen energías desde 10,26 eV hasta 124,24 eV donde entramos en las energías de los rayos X. La EUV se genera naturalmente por la corona solar y artificialmente por plasma , fuentes de generación de armónicos altos y fuentes de luz de sincrotrón . Dado que el rango ultravioleta C se extiende hasta 100 nm, hay cierta superposición en los términos.     

Los principales usos de la radiación ultravioleta extrema son la espectroscopia de fotoelectrones , la obtención de imágenes solares y la litografía . En el aire , la radiación ultravioleta extrema es el componente del espectro electromagnético que se absorbe con mayor intensidad , lo que requiere un alto vacío para su transmisión.

Los átomos neutros o la materia condensada no tienen transiciones de energía lo suficientemente grandes como para emitir radiación EUV. Primero debe producirse la ionización . La luz EUV solo puede ser emitida por electrones ligados a iones positivos multicargados; por ejemplo, para extraer un electrón de un ion de carbono con carga +3 (ya se han extraído tres electrones) se requieren aproximadamente 65 eV . Estos electrones están ligados con mayor fuerza que los electrones de valencia típicos . La existencia de iones positivos multicargados solo es posible en un plasma caliente y denso . Alternativamente, los electrones e iones libres pueden generarse temporal e instantáneamente mediante el intenso campo eléctrico de un haz láser de armónicos muy altos . Los electrones se aceleran al regresar al ion progenitor, liberando fotones de mayor energía con intensidades reducidas, que pueden estar en el rango EUV. 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 debido a que el campo eléctrico de la luz EUV no es lo suficientemente intenso como para impulsarlos a armónicos superiores, mientras que los iones originales ya no se ionizan con la misma facilidad que los átomos originalmente neutros. Por lo tanto, los procesos de generación y absorción (ionización) de EUV compiten intensamente entre sí. 

A principios del siglo XXI aparecieron múltiples fuentes EUV basadas en el láser de electrones libres y fuentes EUV de sobremesa basadas en técnicas de generación de armónicos altos . ^{[ 2 ] : 579} Se han comercializado sistemas de primera generación para litografía EUV basados ​​en la generación de luz de plasma producido por láser (LPP). ^{[ 3 ] : 173}

Cuando se absorbe un fotón EUV, se generan fotoelectrones y electrones secundarios por ionización , de forma muy similar a lo que ocurre cuando la materia absorbe rayos X o haces de electrones. ^{[ 5 ]}

La respuesta de la materia a la radiación EUV se puede describir mediante las siguientes ecuaciones:

Punto de absorción:

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

Dentro de 3 trayectorias libres medias del fotoelectrón (1–2  nm):

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

Dentro de 3 trayectorias 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 enésima generación se ralentiza, además de la ionización por calentamiento ( generación de fonones ).
3. Energía cinética del electrón de última generación ~ 0  eV => captura disociativa del electrón + calor, donde el potencial de ionización es típicamente de 7 a 9  eV para materiales orgánicos y de 4 a 5  eV para metales.

Posteriormente, el fotoelectrón provoca 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 solo fotón.

Estrictamente hablando, los fotoelectrones, los electrones Auger y los electrones secundarios están acompañados por huecos con carga positiva (iones que pueden neutralizarse extrayendo electrones de moléculas cercanas) para preservar la neutralidad de carga. Un par electrón-hueco se denomina a menudo excitón . Para electrones de alta energía, la separación electrón-hueco 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 entre sí. El excitón en sí se difunde a una distancia bastante grande (>10  nm). ^{[ 6 ]} Como su nombre indica, un excitón es un estado excitado; solo cuando desaparece al recombinarse el electrón y el hueco, pueden formarse productos de reacción química estables.

Dado que la profundidad de absorción de fotones supera la profundidad de escape de electrones, a medida que los electrones liberados disminuyen su velocidad, disipan su energía finalmente en forma de calor. Las longitudes de onda EUV se absorben con mucha más intensidad que las longitudes de onda más largas, ya que sus energías fotónicas correspondientes superan las brechas 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. ^{[ 7 ]}

Al igual que otras formas de radiación ionizante , la radiación EUV y los electrones liberados directa o indirectamente por ella son una fuente probable de daños en los dispositivos . El daño puede resultar de la desorción de óxido ^{[ 9 ]} o de la carga atrapada tras la ionización ^{[ 10 ]} . El daño también puede producirse por una carga positiva indefinida debido al efecto Malter . Si los electrones libres no pueden regresar para neutralizar la carga positiva neta, la desorción de iones positivos ^{[ 11 ]} es la única forma de restablecer la neutralidad. Sin embargo, la desorción implica esencialmente que la superficie se degrada durante la exposición y, además, los átomos desorbidos contaminan cualquier componente óptico expuesto. El daño por radiación EUV ya se ha documentado en el envejecimiento por radiación del CCD del Telescopio de Imágenes Ultravioleta Extrema (EIT) ^{[ 12 ] .}

El daño por radiación es un problema bien conocido que se ha estudiado en el proceso de daño por 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 producir carga superficial medible. ^{[ 13 ]} La radiación EUV mostró carga positiva centímetros más allá de los límites de exposición, mientras que la radiación VUV (ultravioleta de vacío) mostró carga positiva dentro de los límites de exposición.

Estudios realizados con pulsos de femtosegundos EUV en el Láser de Electrones Libres de Hamburgo ( FLASH ) indicaron umbrales de daño inducidos por fusión térmica inferiores a 100 mJ/ ^cm² . ^{[ 14 ]}

Un estudio anterior ^{[ 15 ]} 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.

• Explorador de ultravioleta extremo
• Experimento de variabilidad ultravioleta extrema
• Telescopio de imágenes ultravioleta extrema
• Generación de armónicos de alto orden
• CHIPSat
• Litografía ultravioleta extrema

• Contenido multimedia relacionado con la radiación ultravioleta extrema en Wikimedia Commons.
• Extensión de Mediawiki:EUV