光发射电子显微镜

光发射电子显微镜（PEEM，也称为光电子显微镜，PEM）是一种电子显微镜，它利用电子发射的局部变化来产生图像对比度。激发通常由紫外线，同步辐射或X射线源产生。PEEM通过收集发射的二次电子间接测量系数在吸收过程中随着初级纤芯空穴的产生而在电子级联中产生的电子。PEEM是一种表面敏感技术，因为发射的电子来自浅层。在物理学中，这种技术被称为PEEM，这自然变为连同低能量电子衍射（LEED）和低能量电子显微镜（LEEM）。在生物学上，它被称为光电子显微镜（PEM），它适合于光电子光谱（PES）、透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）。

光发射电子显微镜是平行成像仪器。它可以在任何给定时刻创建从成像表面区域发出的光电子分布的完整图片。

必须用适当的辐射（从紫外线到硬X射线）均匀照射样品的观察区域。紫外线是PEEM中最常用的辐射，因为可以使用非常明亮的光源，例如水银灯。但是，在需要分析信息的情况下，其他波长（如软X射线）是首选。

电子光学镜筒包含两个或多个静电或磁性电子透镜，校正器元件（例如，柱头和偏转器），一个透镜的后焦平面中的角度限制孔。

像在任何发射电子显微镜中一样，物镜或阴极透镜确定分辨率。后者取决于电子光学性质，例如球差和光发射电子的能量扩散。电子以接近余弦平方函数的角度分布发射到真空中。平行于表面的明显速度分量会降低横向分辨率。完全沿着PEEM中心线离开表面的较快电子也会由于阴极透镜的色差而对分辨率产生负面影响。分辨率与表面加速场强度成反比，但与电子能量散布成正比。

可以将能量滤波器添加到仪器中，以选择对图像有贡献的电子。此选项特别用于PEEM的分析应用程序。通过使用能量过滤器，PEEM显微镜可以看作是成像紫外光电子能谱（UPS）或X射线光电子能谱（XPS）。通过使用此方法，可以以100 nm尺度的空间分辨率和sub-eV分辨率获取空间分辨的光发射光谱。使用这种仪器，可以获取具有化学状态敏感性或功函数图的元素图像。此外，由于光电子仅在材料的最表面处发射，因此可以获取表面终止图。

将检测器放置在电子光学柱的末端。通常，荧光屏用于将电子图像转换为光子图像。磷光体类型的选择受分辨率考虑。由CCD相机成像的多通道板检测器可以替代荧光屏。

与许多其他电子显微镜技术相比，时间分辨PEEM提供了只有几个飞秒的非常高的时间分辨率，并有望将其推进到阿秒状态。原因是时间电子脉冲展宽不会降低时间分辨率，因为电子仅用于实现高空间分辨率。通过在泵浦探头设置中使用非常短的光脉冲可以达到时间分辨率。xxx个脉冲在光学上激发样品表面上的表面等离子体激元等动力学，第二个脉冲在一定的等待时间后通过发射电子探测动力学。光发射速率受样品的局部激发水平影响。因此，可以获得关于样品动力学的空间信息。

可见光谱范围内的激光脉冲通常与PEEM结合使用。它们提供几到100 fs的时间分辨率。近年来，具有较短波长的脉冲已用于实现对材料中瞬时电子激发的更直接访问。在此，可见光中的xxx个脉冲激发样品表面附近的动力学，光子能量远高于材料功函数的第二个脉冲发射电子。通过在PEEM中采用额外的飞行时间或高通能量记录，可以以高空间和时间分辨率提取有关纳米结构中瞬时电子分布的信息。

仍在努力实现亚秒级的时间分辨率，并以迄今为止尚未达到的时空分辨率直接记录纳米结构周围的光场。

PEEM的一般限制（在大多数表面科学方法中很常见）是PEEM仅在相当有限的真空条件下运行。每当使用电子来激发样本或从其表面携带信息时，都必须具有真空，并具有适当的电子平均自由程。使用原位 PEEM技术，可以通过PEEM观察到水和水溶液。

PEEM的分辨率限制在约10 nm，这是由于光电子发射角的扩展所致。角分辨光发射光谱法（ARPES）是用于结构分析的强大工具。但是，由于缺乏强度，可能难以进行角度分辨和能量选择性PEEM测量。在这方面，同步辐射光源的可用性可以提供令人兴奋的可能性。

透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）：PEEM通过使用样品表面的电场加速而不同于这两个显微技术。标本是电子光学系统的一部分。

低能电子显微镜（LEEM）和镜面电子显微镜（MEM）：这两个电子发射显微镜使用电子枪供电束，这些光束指向标本，从标本减速并反向散射，或者在到达标本之前被反射。在光发射电子显微镜（PEEM）中，使用了相同的样品几何形状和浸没透镜，但省略了电子枪。

时间分辨光发射电子显微镜（TR-PEEM）非常适合于实时观察配备有脉冲同步加速器辐射的照明表面上的快速过程。

• 飞行时间光电发射电子显微镜（TOF -PEEM）：TOF-PEEM是使用超快门CCD相机或时间和空间分辨计数检测器的PEEM，用于观察表面上的快速过程。
• 多光子光电发射电子显微镜：多光子PEEM可用于研究纳米团簇中的局部表面等离激元激发或使用飞秒激光器直接结构化膜中热电子寿命的空间观察。
• 液体和高浓度气体中的PEEM：1990年代后期，微型薄液体池的发展使宽广的透射X射线显微镜技术可以检测到两个SiN膜之间的液体和气体样品。在这种构造中，第二膜的真空侧涂覆有光发射材料，并且PEEM用于记录透射光的空间变化。通过超薄电子透明膜（例如石墨烯）已经实现了光电子中液体界面的真实PEEM成像。特高压兼容石墨烯液体电池的进一步发展，使得在不使用差动泵的情况下，利用标准PEEM装置研究电化学和带电液体-固体界面成为可能。