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Scanning Electron Optical Nanoscopy

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Reutilización de una técnica estándar para la óptica a nanoescala

La microscopía electrónica emplea haces de electrones para visualizar estructuras a escala nanométrica. Comprender cómo se comporta la luz a escala nanométrica es fundamental para la investigación futura de materiales ópticos, mejorar la imagenología y desarrollar dispositivos optoelectrónicos, incluidas las celdas fotovoltaicas y la tecnología de información cuántica.

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La cátodoluminiscencia (CL) es un fenómeno físico observado por primera vez en los años sesenta del siglo pasado mediante el cual un material emite luz cuando es bombardeado por un haz de electrones. En el pasado, la CL se empleó en los televisores de tubos de rayos catódicos para generar imágenes y por los geólogos para caracterizar minerales.

Un microscopio electrónico novedoso basado en la CL

Los científicos del proyecto SCEON, financiado por el Consejo Europeo de Investigación (CEI), combinaron las propiedades de la espectroscopia de CL y la microscopia electrónica en un novedoso sistema de CL. En la espectroscopia de CL, se recoge y analiza la luz emitida por las estructuras cuando interactúan con los electrones, lo que proporciona información óptica funcional. Albert Polman, beneficiario de la subvención del CEI e investigador principal, comenta: «Nuestro objetivo era combinar las ventajas del microscopio electrónico y la imagenología óptica en un sistema novedoso único en el mundo». La CL ofrece información sobre la interacción de la luz y la materia y, debido a que utiliza electrones, posee una resolución nanométrica. El sistema de CL de SCEON funciona recogiendo con un espejo parabólico los fotones emitidos por la muestra bombardeada con electrones. Esto aumenta la eficiencia de la recolección de luz de las nanoestructuras y, además, permite mediciones en muestras de baja emisión de luz como los metales. Al mismo tiempo, la tecnología de SCEON posee muchas aplicaciones prácticas en geología, metrología de semiconductores y fabricación de materiales fotovoltaicos, ya que mejora el rendimiento de los dispositivos emisores de luz y las celdas fotovoltaicas. La manipulación de las fuentes de fotones individuales gracias al empleo del nuevo sistema de CL favorecerá el desarrollo ulterior de la tecnología de información cuántica. Es más, el sistema de CL de SCEON también permite estudiar cómo se comporta la luz emitida a lo largo del tiempo a nanoescala. Esto brinda a los científicos la oportunidad de examinar los fenómenos físicos subyacentes a escala nanométrica y responder a cuestiones fundamentales relacionadas con la interacción de electrones con nanoestructuras. El uso de pulsos de electrones confiere al sistema de CL de SCEAN la capacidad de brindar nuevos conocimientos sobre la dinámica de la excitación de los electrones y la luz gracias a la resolución temporal del dispositivo. Los estudios con el microscopio de CL de SCEON, incluido el estudio de la emisión de luz en diferentes nanoestructuras, han generado una gran variedad de resultados interesantes. Los investigadores también han logrado determinar la eficiencia de emisión de los semiconductores empleados en las celdas fotovoltaicas a una resolución espacial muy alta, y estudiar las interacciones de pulsos láser y de electrones ultrarrápidos mediadas por nanoestructuras metálicas.

El futuro del microscopio de CL

Los microscopios de CL se desarrollaron en colaboración con AMOLF, Thermo Fisher y Delmic, que pusieron en el mercado la primera versión comercial del instrumento en 2014. El microscopio de CL también ha sido galardonado con el «Premio a la Innovación y Caracterización de Materiales» de la Sociedad de Investigación de Materiales. «Obtuvimos la subvención a la prueba de concepto de SCEON del CEI para desarrollar una versión comercial de sobremesa de nuestro nuevo microscopio que podría ser empleado por una amplia gama de usuarios», recalca Polman. Desde la caracterización inicial del fenómeno físico de la CL, los investigadores han realizado avances en la espectroscopia de CL con fines más científicos. «Nuestro sistema permite estudiar esencialmente cada metal, semiconductor, material dieléctrico o nanoestructura y observar físicamente, con una gran precisión espacial, cómo resuena la luz en estos materiales, la dirección en que se emite y la duración de estas interacciones», continúa Polman. Comprender cómo interactúan los electrones de alta velocidad con las nanoestructuras ayudará al diseño y a la puesta en práctica de sistemas fotovoltaicos, circuitos optoelectrónicos en miniatura y diodos emisores de luz más baratos y eficientes.

Palabras clave

SCEON, cátodoluminiscencia (CL) microscopio electrónico, espectroscopia, nanoestructura, celda fotovoltaica

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