光發射電子顯微鏡

光發射電子顯微鏡（PEEM，也稱為光電子顯微鏡，PEM）是一種電子顯微鏡，它利用電子發射的局部變化來產生圖像對比度。激發通常由紫外線，同步輻射或X射線源產生。PEEM通過收集發射的二次電子間接測量系數在吸收過程中隨著初級纖芯空穴的產生而在電子級聯中產生的電子。PEEM是一種表面敏感技術，因為發射的電子來自淺層。在物理學中，這種技術被稱為PEEM，這自然變為連同低能量電子衍射（LEED）和低能量電子顯微鏡（LEEM）。在生物學上，它被稱為光電子顯微鏡（PEM），它適合于光電子光譜（PES）、透射電子顯微鏡（TEM）和掃描電子顯微鏡（SEM）。

光發射電子顯微鏡是平行成像儀器。它可以在任何給定時刻創建從成像表面區域發出的光電子分布的完整圖片。

必須用適當的輻射（從紫外線到硬X射線）均勻照射樣品的觀察區域。紫外線是PEEM中最常用的輻射，因為可以使用非常明亮的光源，例如水銀燈。但是，在需要分析信息的情況下，其他波長（如軟X射線）是首選。

電子光學鏡筒包含兩個或多個靜電或磁性電子透鏡，校正器元件（例如，柱頭和偏轉器），一個透鏡的后焦平面中的角度限制孔。

像在任何發射電子顯微鏡中一樣，物鏡或陰極透鏡確定分辨率。后者取決于電子光學性質，例如球差和光發射電子的能量擴散。電子以接近余弦平方函數的角度分布發射到真空中。平行于表面的明顯速度分量會降低橫向分辨率。完全沿著PEEM中心線離開表面的較快電子也會由于陰極透鏡的色差而對分辨率產生負面影響。分辨率與表面加速場強度成反比，但與電子能量散布成正比。

可以將能量濾波器添加到儀器中，以選擇對圖像有貢獻的電子。此選項特別用于PEEM的分析應用程序。通過使用能量過濾器，PEEM顯微鏡可以看作是成像紫外光電子能譜（UPS）或X射線光電子能譜（XPS）。通過使用此方法，可以以100 nm尺度的空間分辨率和sub-eV分辨率獲取空間分辨的光發射光譜。使用這種儀器，可以獲取具有化學狀態敏感性或功函數圖的元素圖像。此外，由于光電子僅在材料的最表面處發射，因此可以獲取表面終止圖。

將檢測器放置在電子光學柱的末端。通常，熒光屏用于將電子圖像轉換為光子圖像。磷光體類型的選擇受分辨率考慮。由CCD相機成像的多通道板檢測器可以替代熒光屏。

與許多其他電子顯微鏡技術相比，時間分辨PEEM提供了只有幾個飛秒的非常高的時間分辨率，并有望將其推進到阿秒狀態。原因是時間電子脈沖展寬不會降低時間分辨率，因為電子僅用于實現高空間分辨率。通過在泵浦探頭設置中使用非常短的光脈沖可以達到時間分辨率。xxx個脈沖在光學上激發樣品表面上的表面等離子體激元等動力學，第二個脈沖在一定的等待時間后通過發射電子探測動力學。光發射速率受樣品的局部激發水平影響。因此，可以獲得關于樣品動力學的空間信息。

可見光譜范圍內的激光脈沖通常與PEEM結合使用。它們提供幾到100 fs的時間分辨率。近年來，具有較短波長的脈沖已用于實現對材料中瞬時電子激發的更直接訪問。在此，可見光中的xxx個脈沖激發樣品表面附近的動力學，光子能量遠高于材料功函數的第二個脈沖發射電子。通過在PEEM中采用額外的飛行時間或高通能量記錄，可以以高空間和時間分辨率提取有關納米結構中瞬時電子分布的信息。

仍在努力實現亞秒級的時間分辨率，并以迄今為止尚未達到的時空分辨率直接記錄納米結構周圍的光場。

PEEM的一般限制（在大多數表面科學方法中很常見）是PEEM僅在相當有限的真空條件下運行。每當使用電子來激發樣本或從其表面攜帶信息時，都必須具有真空，并具有適當的電子平均自由程。使用原位?PEEM技術，可以通過PEEM觀察到水和水溶液。

PEEM的分辨率限制在約10 nm，這是由于光電子發射角的擴展所致。角分辨光發射光譜法（ARPES）是用于結構分析的強大工具。但是，由于缺乏強度，可能難以進行角度分辨和能量選擇性PEEM測量。在這方面，同步輻射光源的可用性可以提供令人興奮的可能性。

透射電子顯微鏡（TEM）和掃描電子顯微鏡（SEM）：PEEM通過使用樣品表面的電場加速而不同于這兩個顯微技術。標本是電子光學系統的一部分。

低能電子顯微鏡（LEEM）和鏡面電子顯微鏡（MEM）：這兩個電子發射顯微鏡使用電子槍供電束，這些光束指向標本，從標本減速并反向散射，或者在到達標本之前被反射。在光發射電子顯微鏡（PEEM）中，使用了相同的樣品幾何形狀和浸沒透鏡，但省略了電子槍。

時間分辨光發射電子顯微鏡（TR-PEEM）非常適合于實時觀察配備有脈沖同步加速器輻射的照明表面上的快速過程。

• 飛行時間光電發射電子顯微鏡（TOF?-PEEM）：TOF-PEEM是使用超快門CCD相機或時間和空間分辨計數檢測器的PEEM，用于觀察表面上的快速過程。
• 多光子光電發射電子顯微鏡：多光子PEEM可用于研究納米團簇中的局部表面等離激元激發或使用飛秒激光器直接結構化膜中熱電子壽命的空間觀察。
• 液體和高濃度氣體中的PEEM：1990年代后期，微型薄液體池的發展使寬廣的透射X射線顯微鏡技術可以檢測到兩個SiN膜之間的液體和氣體樣品。在這種構造中，第二膜的真空側涂覆有光發射材料，并且PEEM用于記錄透射光的空間變化。通過超薄電子透明膜（例如石墨烯）已經實現了光電子中液體界面的真實PEEM成像。特高壓兼容石墨烯液體電池的進一步發展，使得在不使用差動泵的情況下，利用標準PEEM裝置研究電化學和帶電液體-固體界面成為可能。