BRPI1107185B1 - hollow device with undimensional end for near-field microscopy and optical spectroscopy - Google Patents
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Abstract
DISPOSITIVO VAZADO COM EXTREMIDADE UNIDIMENSIONAL PARA MICROSCOPIA E ESPECTROSCOPIA ÓPTICA DE CAMPO PRÓXIMO. A matéria tratada (Figura 1) é descrita por um dispositivo vazado que contém, pelo menos, um elemento unidimensional (4) nas suas extremidades (3); para microscopia e espectroscopia óptica de campo próximo. Este dispositivo é aplicado, preferencialmente, em equipamentos e técnicas de microscopia e espectroscopia, , ambas por varredura de sonda. O dispositivo proposto (Figura 1) apresenta dimensões adequadas para o acoplamento com o campo elétrico de luz que propaga na direção preferencialmente normal à superfície a ser analisada. A matéria tratada (Figura 1) apresenta robustez durante o processo de análise superficial, podendo analisar com alta resolução estruturas de dimensões inferiores a lOnm.LEAKED DEVICE WITH UNIDIMENSIONAL END FOR MICROSCOPY AND OPTICAL FIELD SPECTROSCOPY NEARBY. The treated material (Figure 1) is described by a hollow device that contains at least one one-dimensional element (4) at its ends (3); for near-field microscopy and optical spectroscopy. This device is applied, preferably, in equipment and techniques of microscopy and spectroscopy, both by probe scanning. The proposed device (Figure 1) has adequate dimensions for coupling with the electric field of light that propagates in the direction preferably normal to the surface to be analyzed. The treated material (Figure 1) is robust during the surface analysis process, being able to analyze structures with dimensions smaller than lOnm with high resolution.
Description
A matéria tratada (Figura 1) é descrita por um dispositivo vazado que contém, pelo menos, um elemento unidimensional (4) nas suas extremidades (3); para microscopia e espectroscopia óptica de campo próximo. Este dispositivo é aplicado, preferencialmente, em equipamentos e técnicas de microscopia e espectroscopia, ambas por varredura de sonda. O dispositivo proposto (Figura 1) apresenta dimensões adequadas para o acoplamento com o campo elétrico de luz que propaga preferencialmente na direção normal à superfície a ser analisada. A matéria tratada (Figura 1) apresenta robustez durante o processo de análise superficial, podendo analisar com alta resolução estruturas de dimensões inferiores a 10 nm.The treated material (Figure 1) is described by a hollow device that contains at least one one-dimensional element (4) at its ends (3); for near-field microscopy and optical spectroscopy. This device is applied, preferably, in equipment and techniques of microscopy and spectroscopy, both by probe scanning. The proposed device (Figure 1) presents suitable dimensions for coupling with the electric field of light that preferably propagates in the normal direction to the surface to be analyzed. The treated material (Figure 1) is robust during the surface analysis process, being able to analyze structures with dimensions less than 10 nm with high resolution.
No início dos anos 80, a Microscopia de Varredura por Sonda (do Inglês, Scanning Probe Microscopyou SPM) surpreendeu o mundo com as primeiras imagens com resolução atômica da superfície de um cristal de silício. Desde então, a técnica de SPM vem sendo utilizada amplamente, produzindo imagens de átomos a estruturas nanométricas na superfície de diversos materiais. Em indústrias de manufatura de precisão, relacionadas a tecnologias tais como microeletrônica, energia solar, dispositivos médicos, automotivo, aeroespacial e outros, os microscópios de varredura por sonda permitem aos usuários monitorar seus produtos em todo o processo de fabricação para melhorar a produtividade, reduzir custos e melhorar a qualidade do produto. O principal mercado para microscópios de varredura da sonda está no setor de semicondutores e eletrônicos, no qual eles são rotineiramente utilizados para a inspeção de produtos e análise de falhas. Eles também são amplamente utilizados nas universidades, centros de pesquisa e centros científicos em todo o mundo (Neves, B.R.A. et AL.. Cerâmica, vol.44, n.290, 1998).In the early 1980s, Probe Scanning Microscopy (from English, Scanning Probe Microscopyou SPM) surprised the world with the first atomic resolution images of the surface of a silicon crystal. Since then, the SPM technique has been used widely, producing images from atoms to nanometric structures on the surface of various materials. In precision manufacturing industries, related to technologies such as microelectronics, solar energy, medical devices, automotive, aerospace and others, probe scanning microscopes allow users to monitor their products throughout the manufacturing process to improve productivity, reduce costs and improve product quality. The main market for probe scanning microscopes is in the semiconductor and electronics sector, where they are routinely used for product inspection and fault analysis. They are also widely used in universities, research centers and scientific centers worldwide (Neves, B.R.A. et AL .. Cerâmica, vol.44, n.290, 1998).
A sigla SPM representa uma família de técnicas que diferem entre si pelo tipo de interação sonda-material que é monitorado no processo. Alguns exemplos são: AFM (atomic force microscopyou microscopia de força atômica; EFM (electrical force microscopyou microscopia de força elétrica; MFM (magnetic force microscopyou microscopia de força magnética; STM (scanning tunneling microscopy ou microscopia de tunelamento por varredura); SNOM (scanning near-field optical microscopy ou microscopia óptica de campo próximo). Várias destas técnicas podem oferecer, além de informações de microscopia, informações espectroscópicas, sendo nomeadas trocando-se o M por S na sigla (exemplo: STS ao invés de STM). Apesar de fornecerem informações bastante diferentes entre si, tais como morfologia, condutividade elétrica, dureza e propriedades magnéticas e ópticas, todas as técnicas da família SPM se baseiam num mesmo princípio de operação. Todo microscópio que opera as técnicas de SPM possui, no mínimo, uma sonda mecânica com a propriedade específica necessária para técnica (propriedade elétrica, magnética, óptica, etc.), um posicionador piezoelétrico capaz de mover a sonda com precisão subnanométrica, mecanismo de monitoração da interação sondaamostra, sistema de posicionamento preliminar da sonda sobre a amostra, sistema(s) de medida do efeito da técnica específico utilizada, e um computador que controla todo o sistema (Neves, B.R.A. et AL.. Cerâmica. vol.44, n.290, 1998).The acronym SPM represents a family of techniques that differ from each other by the type of probe-material interaction that is monitored in the process. Some examples are: AFM (atomic force microscopy or atomic force microscopy; EFM (electrical force microscopy or electric force microscopy; MFM (magnetic force microscopy or magnetic force microscopy; STM (scanning tunneling microscopy or scanning tunneling microscopy); SNOM (scanning near-field optical microscopy. Several of these techniques can offer, in addition to microscopy information, spectroscopic information, being named by changing M to S in the acronym (example: STS instead of STM). to provide information that is quite different from each other, such as morphology, electrical conductivity, hardness and magnetic and optical properties, all techniques in the SPM family are based on the same operating principle. Every microscope that operates SPM techniques has at least one mechanical probe with the specific property required for technique (electrical, magnetic, optical property, etc.), a piezo positioner electric device capable of moving the probe with subnanometric precision, monitoring mechanism of the probe interaction, preliminary positioning system of the probe on the sample, system (s) for measuring the effect of the specific technique used, and a computer that controls the entire system (Neves , BRA et AL .. Ceramics. vol.44, n.290, 1998).
A microscopia e a espectroscopia óptica de campo próximo (SNOM, SNOM ou NFOM) são um híbrido das microscopias de varredura por sonda com a microscopia e espectroscopia ótica (Synge, E.H. Phil. Mag.v.6, p.356, 1928). A sonda, neste caso, é o agente responsável por localizar o sinal óptico primordialmente em uma região nanométrica, gerando assim a microscopia e espectroscopia óptica com resolução espacial superior ao dado pelo limite de difração da luz. Em uma de suas possíveis concepções, esta sonda é formada por uma fibra óptica muito fina que carreia luz visível à superfície da amostra. Como a área excitada é da ordem da abertura da fibra óptica, com a tecnologia atual consegue-se estudar as propriedades ópticas de materiais com resolução espacial da ordem de 50 nm (Neves et al. Cerâmica, vol.44, n.290, 1998). O termo “campo próximo” vem do fato de que o campo eletromagnético não se propaga por orifícios menores que o comprimento da luz, devido ao efeito da difração. Entretanto, na abertura da sonda existe um “campo próximo” muito intenso, que pode ser usado para microscopia e espectroscopia com o uso da técnica de SPM, que é responsável aproximar a sonda da superfície o suficiente (da ordem de 1 nm) para que o campo próximo possa ser sentido pela superfície.Microscopy and near-field optical spectroscopy (SNOM, SNOM or NFOM) are a hybrid of probe-scanning microscopy with optical microscopy and spectroscopy (Synge, E.H. Phil. Mag.v.6, p.356, 1928). The probe, in this case, is the agent responsible for locating the optical signal primarily in a nanometric region, thus generating microscopy and optical spectroscopy with spatial resolution higher than that given by the diffraction limit of light. In one of its possible conceptions, this probe is formed by a very thin optical fiber that carries visible light to the sample surface. As the excited area is of the order of the opening of the optical fiber, with the current technology it is possible to study the optical properties of materials with spatial resolution of the order of 50 nm (Neves et al. Cerâmica, vol.44, n.290, 1998 ). The term "near field" comes from the fact that the electromagnetic field does not propagate through holes smaller than the length of the light, due to the effect of diffraction. However, at the opening of the probe there is a very intense “near field”, which can be used for microscopy and spectroscopy with the use of the SPM technique, which is responsible for bringing the probe close to the surface enough (in the order of 1 nm) so that the near field can be felt by the surface.
A microscopia óptica de campo próximo (SNOM) melhora a resolução espacial da ótica convencional, esta melhoria dependendo da dimensão da sonda utilizada no processo. Com a tecnologia atual, a técnica de SNOM pode alcançar uma resolução espacial da ordem de 10 nm, o que é bem inferior à resolução de um microscópio de força atômica ou de tunelamento. Entretanto, trás as vantagens do híbrido de SPM com a microscopia e espectroscopia ótica, que são diversas. Entre os principais parâmetros que possam ser de interesse para a investigação de uma estrutura na escala nanométrica, além de forma e tamanho, estão a sua composição química, estrutura molecular, bem como a suas propriedades dinâmicas e eletrônicas, largamente mensuradas por diversas proriedades ópticas dos materiais.Near field optical microscopy (SNOM) improves the spatial resolution of conventional optics, this improvement depending on the size of the probe used in the process. With current technology, the SNOM technique can achieve a spatial resolution in the order of 10 nm, which is well below the resolution of an atomic force or tunneling microscope. However, it brings the advantages of the SPM hybrid with microscopy and optical spectroscopy, which are diverse. Among the main parameters that may be of interest for the investigation of a structure on the nanoscale, in addition to shape and size, are its chemical composition, molecular structure, as well as its dynamic and electronic properties, widely measured by several optical properties of materials.
A resolução recorde de 12nm foi obtida não com o uso de uma fibra óptica como sonda, mas com o efeito de ressonância da luz propagante com os plasmons de uma sonda metálica (Hartschuh et al., Phys. Rev. Lett.90, 2003). Como exemplo, o sistema pode utilizar a configuração confocal usual de um microscópio óptico invertido, mas a luz sendo condensada em uma pequena região de 12nm devido à ressonância com o plasma de uma sonda metálica de dimensão nanométrica colocada na região a ser estudada por um sistema de SPM. Este efeito possibilita medidas efetivas de sinais pouco intensos, como o espalhamento Raman na escala nanométrica, sendo chamado neste caso de TERS (Tip Enhanced Raman Spectroscopy, ver Chem. Phys. Lett. 335, 369374, (2001)), em analogia ao conhecido SERS (Surface Enhanced Raman Spectroscopy, ver Chem. Phys. Lett. 126, 163, (1974)), que utiliza partículas metálicas dispersas em uma superfície para aumentar o sinal Raman de moléculas. A diferença é que, na configuração TERS, a posição desta partícula metálica é controlada por um sistema tipo SPM. Imagens espectroscópicas com resolução nanométrica podem ser geradas, e a observação de espalhamento Raman e emissão de luz localizadas em regiões nanométricas tem sido obtidas usando esta técnica (Maciel et al. Nature Materials 7, 878 (2008)). A espectroscopia Raman tem larga aplicação nas indústrias farmacêuticas, químicas, petrolíferas, tendo o TERS grande potencial para gerador de avanços tecnológicos nestes e outros ramos de atividade.The record resolution of 12nm was obtained not with the use of an optical fiber as a probe, but with the resonance effect of the propagating light with the plasmons of a metallic probe (Hartschuh et al., Phys. Rev. Lett.90, 2003) . As an example, the system can use the usual confocal configuration of an inverted optical microscope, but the light being condensed in a small region of 12nm due to the resonance with the plasma of a metallic probe of nanometric dimension placed in the region to be studied by a system of SPM. This effect allows effective measurements of low intensity signals, such as Raman scattering on the nanoscale, being called in this case TERS (Tip Enhanced Raman Spectroscopy, see Chem. Phys. Lett. 335, 369374, (2001)), in analogy to the known SERS (Surface Enhanced Raman Spectroscopy, see Chem. Phys. Lett. 126, 163, (1974)), which uses metallic particles dispersed on a surface to increase the Raman signal of molecules. The difference is that, in the TERS configuration, the position of this metallic particle is controlled by an SPM type system. Spectroscopic images with nanometric resolution can be generated, and the observation of Raman scattering and light emission located in nanometric regions has been obtained using this technique (Maciel et al. Nature Materials 7, 878 (2008)). Raman spectroscopy has wide application in the pharmaceutical, chemical and oil industries, with TERS having great potential for generating technological advances in these and other branches of activity.
O princípio do SNOM é, relativamente, simples. A amostra, a ser caracterizada é varrida por uma fibra ótica ou por uma sonda metálica, que têm uma abertura da ordem de dez ou de dezenas de nanômetros de diâmetro na sua extremidade. Pela fibra passa luz visível, que irá interagir ou interagiu com amostra, indo dela para um detector. Com a sonda metálica, a luz propagante é condensada em uma região nanométrica pelo efeito de ressonância com os plasmons de superfície do metal. Outra possibilidade é recobrir uma fibra óptica com uma película metálica, aproveitando-se, assim, das vantagens das duas tecnologias descritas acima. Em todos os casos, a intensidade do sinal ótico detectado em cada ponto da varredura da sonda constitui um conjunto de dados que irão reproduzir uma imagem da superfície da amostra, com resolução espacial determinada pelo tamanho da extremidade da sonda (limitada atualmente em 10nm, ver N. Anderson, A. Hartschuh and L. Novotny, J. Am. Chem. Soc. 127, 2533 (2005)).The SNOM principle is relatively simple. The sample to be characterized is scanned by an optical fiber or by a metal probe, which has an opening of the order of ten or tens of nanometers in diameter at its end. Visible light passes through the fiber, which will interact or interact with the sample, going from it to a detector. With the metal probe, the propagating light is condensed in a nanometric region by the resonance effect with the metal surface plasmons. Another possibility is to cover an optical fiber with a metallic film, thus taking advantage of the advantages of the two technologies described above. In all cases, the intensity of the optical signal detected at each point of the probe scan constitutes a set of data that will reproduce an image of the sample surface, with spatial resolution determined by the size of the probe tip (currently limited to 10nm, see N. Anderson, A. Hartschuh and L. Novotny, J. Am. Chem. Soc. 127, 2533 (2005)).
A limitação imposta pelo efeito de campo próximo é que a distância entre a sonda e a amostra tem que ser de poucos nanômetros. Por isto, a sonda é presa em um sistema capaz de detectar a interação da sonda com a superfície, de modo que a sonda se aproxime dessa superfície o suficiente para que interações de Van der Waals possam ser detectadas. Um exemplo de sistema capaz de sentir esta interação é o chamado “tunning fork’((5), Figura 2), que é um dispositivo semelhante ao um diapasão, com frequência de vibração bem definida (K. Karrai and R. D. Grober, Appl. Phys. Lett.66, 1842-1844, (1995)). Quando a sonda, presa a este dispositivo, aproxima-se da superfície a ser analisada, a interação sonda-superfície altera a frequência de vibração do diapasão, e esta variação é detectada pela eletrônica do sistema. Existem também outros métodos de medir a interação sonda-superfície, como pela reflexão de um laser no topo da sonda, mais comum em sistemas de AFM (Neves, B.R.A. et AL.. Cerâmica, vol.44, n.290, 1998). Finalmente, com o SNOM obtêm-se imagens óticas de uma amostra que, para efeitos de análises dos dados, podem ser comparadas com imagens topográficas, por exemplo, adquiridas simultaneamente pelo método de força atômica (L. G. Cancado, A. Hartschuh and L. Novotny, J. Raman Spectrosc. 40, 1420-1426 (2009)). Há, contudo, diversas limitações para a eficiência de um SNOM no que diz respeito à eficiência do sinal óptico, tanto no uso de fibras-ópticas (metalizadas ou não), quanto de sondas metálicas.The limitation imposed by the near field effect is that the distance between the probe and the sample has to be a few nanometers. For this reason, the probe is trapped in a system capable of detecting the interaction of the probe with the surface, so that the probe approaches that surface enough that Van der Waals interactions can be detected. An example of a system capable of sensing this interaction is the so-called “tunning fork '((5), Figure 2), which is a device similar to a tuning fork, with a well-defined vibration frequency (K. Karrai and RD Grober, Appl. Phys. Lett.66, 1842-1844, (1995)). When the probe, attached to this device, approaches the surface to be analyzed, the probe-surface interaction alters the frequency of the tuning fork, and this variation is detected by the system electronics. There are also other methods of measuring the probe-surface interaction, such as by the reflection of a laser on the top of the probe, more common in AFM systems (Neves, B.R.A. et AL .. Cerâmica, vol.44, n.290, 1998). Finally, with SNOM, optical images of a sample are obtained which, for the purposes of data analysis, can be compared with topographic images, for example, acquired simultaneously by the atomic force method (LG Cancado, A. Hartschuh and L. Novotny , J. Raman Spectrosc. 40, 1420-1426 (2009)). However, there are several limitations to the efficiency of an SNOM with regard to the efficiency of the optical signal, both in the use of fiber optics (metallized or not), as well as metallic probes.
No caso do funcionamento da microscopia óptica de campo próximo utilizando uma sonda de fibra-óptica, um dos maiores limitadores é a quantidade de luz enviada e/ou coletada que passa por esta sonda. A potência transmitida decai exponencialmente com a redução do diâmetro da fibra. Por essa razão, gera-se usualmente uma precisão da ordem de 50 a 100 nm. Somando-se ao problema da baixa resolução, o uso desse tipo de sonda fica limitado ao estudo de sinais intensos, como a fotoluminescência. É, entretanto, inadequado para o estudo de sinais mais fracos, como a espectroscopia Raman, onde o sinal é da ordem de mil vezes inferior do que sinais de luminescência, tornando inviável a espectroscopia Raman acoplada a uma resolução espacial nanométrica.In the case of the operation of near-field optical microscopy using a fiber-optic probe, one of the biggest limitations is the amount of light sent and / or collected that passes through this probe. The transmitted power decays exponentially with the reduction of the fiber diameter. For this reason, an accuracy of 50 to 100 nm is usually generated. In addition to the problem of low resolution, the use of this type of probe is limited to the study of intense signals, such as photoluminescence. It is, however, unsuitable for the study of weaker signals, such as Raman spectroscopy, where the signal is on the order of a thousand times lower than luminescence signals, making Raman spectroscopy coupled with a nanometric spatial resolution unviable.
Já no caso do funcionamento da microscopia de campo próximo utilizando uma sonda metálica, o material em estudo é iluminado por um microscópio óptico. Uma ponta metálica de dimensões nanométricas é aproximada da amostra pelo sistema de SPM, condensando o campo elétrico da luz em torno de si. Nessa técnica, a resolução chega a ser da ordem de 10 nm. Esta resolução está limitada pela tecnologia de fabricação das sondas metálicas, que dificilmente evoluirão para valores abaixo de 10 nm devido às propriedades metalúrgicas do material utilizado para sua fabricação.In the case of the operation of near field microscopy using a metal probe, the material under study is illuminated by an optical microscope. A metallic tip of nanometric dimensions is approached by the SPM system, condensing the electric field of light around it. In this technique, the resolution reaches the order of 10 nm. This resolution is limited by the manufacturing technology of the metal probes, which will hardly evolve to values below 10 nm due to the metallurgical properties of the material used for its manufacture.
Melhorar a resolução das sondas metálicas não é o único ou o pior desafio: em toda microscopia por sonda de varredura a qualidade dos resultados está fortemente relacionada à qualidade da sonda utilizada. Este fato tem sido a grande limitação para a utilização em larga escala do SNOM com sonda metálica. De fato, nota-se que boa parte dos artigos publicados na área de microscopia óptica em campo-próximo está relacionada com a produção e caracterização dos dispositivos/sondas de varredura (P. Lambelet et al, Applied Optics 37(31), 7289-7292 (1998); B. Ren, G. Picardi and B. Pettinger, Rev. Sei. Instrum. 75, 837 (2004); P. Bharadwaj, B. Deutsch and Lukas Novotny, Adv. Opt. Photon. 1, 438 483 (2009)). O que agrava o problema da qualidade da sonda para a SNOM é que o acoplamento dessas sondas com a luz propagante, efeito responsável pela condensação do campo em torno da sonda não é simples, dependendo da qualidade da sonda e da geometria luz-sonda. Uma das razões de o acoplamento da sonda metálica com a luz ser pouco eficiente é que, como em qualquer antena, o campo elétrico de polarização da luz deve estar na direção do eixo do dipolo, idealmente no deixo da antena.Improving the resolution of the metal probes is not the only or the worst challenge: in all scanning probe microscopy the quality of the results is strongly related to the quality of the probe used. This fact has been the major limitation for the large-scale use of the SNOM with a metal probe. In fact, it is noted that a large part of the articles published in the field of near-field optical microscopy is related to the production and characterization of scanning devices / probes (P. Lambelet et al, Applied Optics 37 (31), 7289- 7292 (1998); B. Ren, G. Picardi and B. Pettinger, Rev. Sei. Instrum. 75, 837 (2004); P. Bharadwaj, B. Deutsch and Lukas Novotny, Adv. Opt. Photon. 1, 438 483 (2009)). What aggravates the probe quality problem for SNOM is that the coupling of these probes with the propagating light, an effect responsible for the condensation of the field around the probe is not simple, depending on the quality of the probe and the light-probe geometry. One of the reasons that the coupling of the metallic probe with the light is not very efficient is that, as in any antenna, the electric field of polarization of the light must be in the direction of the axis of the dipole, ideally in the antenna.
Entretanto, no caso da microscopia e espectroscopia de campo próximo com as extremidades das sondas “zerodimensionais”, o eixo da nanoantena é perpendicular à superfície. Dessa forma, para iluminar a superfície tem-se que usar uma direção de propagação da luz que, consequentemente, terá seu campo elétrico polarizado normal à superfície, isto é, perpendicular ao eixo da antena. Para a implementação desta geometria, o chamado “doughnut mode”, que gera uma luz propagante com polarização radial, tem sido utilizado (Quabis, S. et al. App. Phys. B: Laser and Optics,v.81, n.5, p.597-600, 2005). Esta luz, quando focalizada pela objetiva do microscópio, gera uma componente de polarização perpendicular à superfície do foco da objetiva, ou seja, paralela ao eixo da nanoantena.However, in the case of near-field microscopy and spectroscopy with the ends of the “zerodimensional” probes, the nano-antenna axis is perpendicular to the surface. Thus, to illuminate the surface, one has to use a light propagation direction that, consequently, will have its normal polarized electric field to the surface, that is, perpendicular to the antenna axis. For the implementation of this geometry, the so-called “donut mode”, which generates a propagating light with radial polarization, has been used (Quabis, S. et al. App. Phys. B: Laser and Optics, v.81, n.5 , p.597-600, 2005). This light, when focused by the microscope objective, generates a polarization component perpendicular to the surface of the objective focus, that is, parallel to the axis of the nanoantenna.
Em todos os processos utilizados na microscopia e espectroscopia por varredura de sonda, usa-se uma sonda de prova que varre uma superfície obtendo informações de topografia, elétricas, magnéticas, elásticas, ópticas e outras. Para obter a melhor resolução espacial possível neste processo de coleta de informações da superfície ou de objetos existentes na mesma (por exemplo, moléculas adsorvidas), esta sonda deve ter a extremidade que entra em contato com a amostra tão pequena quanto possível, idealmente um ponto, representando, para a superfície, um material de dimensão “zero”. Idealmente, esta sonda pontual ou “zerodimensional” é efetivamente um único átomo na extremidade da sonda como um todo, gerando assim imagens com resolução subatômicas, comuns em experimentos de microscopia de tunelamento por varredura de sonda (STM).In all the processes used in probe scanning microscopy and spectroscopy, a probe probe is used that scans a surface obtaining topography, electrical, magnetic, elastic, optical and other information. To obtain the best possible spatial resolution in this process of collecting information from the surface or from objects on it (for example, adsorbed molecules), this probe should have the tip that comes in contact with the sample as small as possible, ideally a point , representing, for the surface, a material of “zero” dimension. Ideally, this point or “zerodimensional” probe is effectively a single atom at the end of the probe as a whole, thus generating images with subatomic resolution, common in probe scanning tunneling microscopy (STM) experiments.
Então, propõe-se um dispositivo vazado (Figura 1), compreendido por uma sonda onde a região de interação superfície-sonda é “unidimensional”. Neste caso, tem-se um elemento unidimensional que varre uma superfície, ao invés de um ponto. Define-se a sonda como “tendo extremidade unidimensional”, considerando que a extremidade que se aproxima da superfície tem uma de suas dimensões sendo a mais reduzida possível, e a outra, tão alongada quanto necessário (Figura 1). Isto determina a importância de se propor um “Dispositivo vazado com extremidade unidimensional (Figura 1) para microscopia e espectroscopia óptica de campo próximo”.Then, a hollow device is proposed (Figure 1), comprised of a probe where the region of surface-probe interaction is “one-dimensional”. In this case, you have a one-dimensional element that sweeps a surface, instead of a point. The probe is defined as “having a one-dimensional end”, considering that the end that approaches the surface has one of its dimensions being as small as possible, and the other, as elongated as necessary (Figure 1). This determines the importance of proposing a "Hollow device with one-dimensional end (Figure 1) for microscopy and near-field optical spectroscopy".
Se por um lado o sistema unidimensional perde resolução espacial ao longo de uma de suas dimensões (Figura 1), quando comparado a uma ponta, por outro, ganha-se dois aspectos importantes quando aplicada na microscopia e espectroscopia óptica por varredura de sonda: (1) aumenta-se o acoplamento com a luz de excitação aumentando, portanto, a eficiência do efeito óptico; (2) ganha-se robustez mecânica para que a resolução espacial na outra dimensão (Figura 1) possa ser reduzida abaixo do limite tecnológico atual de 10 nm.If, on the one hand, the one-dimensional system loses spatial resolution along one of its dimensions (Figure 1), when compared to a tip, on the other hand, two important aspects are gained when applied in microscopy and optical spectroscopy by probe scanning: ( 1) the coupling with the excitation light is increased, thus increasing the efficiency of the optical effect; (2) mechanical strength is gained so that the spatial resolution in the other dimension (Figure 1) can be reduced below the current technological limit of 10 nm.
Diversos pedidos de patente descrevem detalhadamente microscópios para a realização da SNOM, conforme verificado no documento JP2011122896A, intitulado “Near-field optical microscope”, e no documento US6194711B1, intitulado “Scanning near-field optical microscope”.Several patent applications describe microscopes in detail for carrying out SNOM, as verified in document JP2011122896A, entitled “Near-field optical microscope”, and in document US6194711B1, entitled “Scanning near-field optical microscope”.
Outros documentos focam especificamente nas propriedades da sonda de SNOM, abordando o seu funcionamento e, em alguns casos, a sua fabricação. Isso pode ser constatado nos documentos US4917462, intitulado “Near field scanning optical microscopy”; US4604520, intitulado “Optical nearfield scanning microscope”; US20100032719A1, intitulado “Probes for scanning probe microscopy”; US007735147B2, intitulado “Probe system comprising an electric-field-aligned probe tip and method”; US20030094035A1, intitulado “Carbon nanotube probe tip grown on a small probe”; US2004168527A1, intitulado “Coated nanotube surface signal probe”; US20050083826A1, intitulado “Optical fiber probe using an electrical potential difference and an optical recorder using the same”; US20080000293A1, intitulado “Spm cantilever and manufacturing method thereof’; W02009/085184A1, intitulado “Protected metallic tip or metallized scanning probe microscopy tip for optical applications”). Na patente US005831743A, intitulada “Optical probes”, por exemplo, é proposto um novo design de sonda com uma angulação dupla. Entretanto, o objetivo é a medição de luz totalmente refletida na interface, diferentemente do proposto na presente invenção.Other documents specifically focus on the properties of the SNOM probe, addressing its operation and, in some cases, its manufacture. This can be seen in documents US4917462, entitled “Near field scanning optical microscopy”; US4604520, entitled “Optical nearfield scanning microscope”; US20100032719A1, entitled “Probes for scanning probe microscopy”; US007735147B2, entitled “Probe system comprising an electric-field-aligned probe tip and method”; US20030094035A1, entitled “Carbon nanotube probe tip grown on a small probe”; US2004168527A1, entitled “Coated nanotube surface signal probe”; US20050083826A1, entitled “Optical fiber probe using an electrical potential difference and an optical recorder using the same”; US20080000293A1, entitled “Spm cantilever and manufacturing method thereof’; W02009 / 085184A1, entitled “Protected metallic tip or metallized scanning probe microscopy tip for optical applications”). In the patent US005831743A, entitled “Optical probes”, for example, a new probe design with a double angle is proposed. However, the objective is the measurement of light fully reflected in the interface, differently from what was proposed in the present invention.
Existem também diversos documentos que reivindicam o uso de materiais unidimensionais para aplicações como sondas de SPM, conforme verificado nos documentos US007735147B2, intitulada “Probe system comprising an electric-field-aligned probe tip and method for fabricating the same”; US20030094035A1, intitulada “Carbon nanotube probe tip grown on a small probe”; US2004168527A1, intitulada “Coated nanotube surface signal probe”; e US20080000293A1, intitulada “SPM Cantilever and Manufacturing Method Thereof’. Entretanto, os documentos tratam do dispositivo onde o material unidimensional está disposto perpendicular à superfície em estudo, de forma que a interação com a superfície é feita com sua extremidade, essencialmente “zerodimensional”, como usual no estado da arte da técnica.There are also several documents that claim the use of one-dimensional materials for applications such as SPM probes, as verified in documents US007735147B2, entitled “Probe system comprising an electric-field-aligned probe tip and method for fabricating the same”; US20030094035A1, entitled “Carbon nanotube probe tip grown on a small probe”; US2004168527A1, entitled “Coated nanotube surface signal probe”; and US20080000293A1, entitled “SPM Cantilever and Manufacturing Method Thereof’. However, the documents deal with the device where the unidimensional material is arranged perpendicular to the surface under study, so that the interaction with the surface is made with its end, essentially “zerodimensional”, as usual in the state of the art.
Verifica-se, então, que em nenhum documento é descrito ou reivindicado um dispositivo vazado com extremidade unidimensional (Figura 1) para microscopia e espectroscopia óptica de campo próximo, da forma como é proposto nesta presente invenção.It can be seen, then, that no document describes or claims a hollow device with one-dimensional end (Figure 1) for near-field microscopy and optical spectroscopy, as proposed in this invention.
Em todos os casos descritos na literatura, a deficiência está no desenvolvimento de sondas efetivas, robustas, e com resolução espacial inferior a dezenas de nanômetros. Os requisitos são rigidez mecânica, eficiência óptica e resolução espacial, somados. O sistema tem que ser rígido para que sirva também como sonda para microscopia de forca atômica, e deve apresentar um acoplamento com o campo eletromagnético da luz incidente, gerando um aumento do campo local campo próximo. Este aumento deve ser localizado em uma região do espaço que, atualmente, utilizando-se sondas metálicas ou fibras ópticas metalizadas, está na faixa de dezenas de nanômetros.In all cases described in the literature, the deficiency lies in the development of effective, robust probes, with spatial resolution below tens of nanometers. The requirements are mechanical stiffness, optical efficiency and spatial resolution, combined. The system must be rigid so that it can also serve as a probe for atomic force microscopy, and must present a coupling with the electromagnetic field of the incident light, generating an increase in the local field nearby. This increase must be located in a region of space that, currently, using metallic probes or metallized optical fibers, is in the range of tens of nanometers.
A matéria tratada (Figura 1), por sua vez, pode resolver as deficiências supracitadas, uma vez que o elemento unidimensional na extremidade da sonda pode apresentar um dipolo elétrico com direção (x na Figura 2) e dimensões adequadas para o acoplamento com o campo elétrico de luz propagante na direção normal à superfície (z, Figura 2). O elemento unidimensioanl na extremidade da sonda pode apresentar dimensão inferior a 10nm na dimensão reduzida (y na Figura 2), melhorando também a resolução no processo de NSOM.The treated material (Figure 1), in turn, can solve the above deficiencies, since the one-dimensional element at the end of the probe may have an electrical dipole with direction (x in Figure 2) and dimensions suitable for coupling with the field propagating light in the normal direction to the surface (z, Figure 2). The unidimensioanl element at the end of the probe can have a dimension less than 10nm in the reduced dimension (y in Figure 2), also improving the resolution in the NSOM process.
A Figura 1 ilustra o dispositivo vazado unidimensional que possui um corpo substancialmente cilíndrico (1), de modo que este possui um prolongamento representado por duas regiões facetadas (2) substancialmente piramidais e separadas entre si por uma região vazada (5); onde nas extremidades (3) das mesmas está acoplado, pelo menos, um elemento unidimensional (4).Figure 1 illustrates the one-dimensional hollow device that has a substantially cylindrical body (1), so that it has an extension represented by two faceted regions (2) substantially pyramidal and separated from each other by a hollow region (5); where at the ends (3) of the same, at least one one-dimensional element (4) is coupled.
A Figura 2 ilustra o dispositivo (Figura 1) acoplado a um diapasão ou tunning fork(7), próximo a uma superfície (6) substancialmente plana, a ser analisada.Figure 2 illustrates the device (Figure 1) coupled to a tuning fork or tuning fork (7), close to a substantially flat surface (6), to be analyzed.
A Figura 3 ilustra a vista inferior do dispositivo (Figura 1), onde o elemento unidimensional (4) possui uma dimensão reduzida (8) e uma dimensão alongada (9).Figure 3 illustrates the bottom view of the device (Figure 1), where the one-dimensional element (4) has a reduced dimension (8) and an elongated dimension (9).
A matéria tratada (Figura 1) compreende um dispositivo vazado unidimensional para microscopia e espectroscopia óptica de campo próximo, que possui um corpo substancialmente cilíndrico (1), de modo que este possui um prolongamento representado por duas regiões facetadas (2) substancialmente piramidais e separadas entre si por uma região vazada (5); onde nas extremidades (3) das mesmas está acoplado, pelo menos, um elemento unidimensional (4).The treated material (Figure 1) comprises a one-dimensional cast device for microscopy and near-field optical spectroscopy, which has a substantially cylindrical body (1), so that it has an extension represented by two faceted regions (2) substantially pyramidal and separated each other by a hollow region (5); where at the ends (3) of the same, at least one one-dimensional element (4) is coupled.
O corpo substancialmente cilíndrico (1), bem como seus prolongamentos (2) é constituído, preferencialmente de Si, W, Au, Ag ou Cu, ou combinados entre si.The substantially cylindrical body (1), as well as its extensions (2), consists preferably of Si, W, Au, Ag or Cu, or combined with each other.
O elemento unidimensional (4) é um sistema que apresenta uma dimensão alongada (eixo x na Figura 1) e duas dimensões reduzidas (y e z na Figura 1). É representado, preferencialmente por um nanotubo de carbono ou um feixe de nanotubos de carbono, ou por um nanofio ou nanobastão, ambos de Au, Ag ou Cu.The one-dimensional element (4) is a system that has an elongated dimension (x-axis in Figure 1) and two reduced dimensions (y and z in Figure 1). It is represented, preferably by a carbon nanotube or a bundle of carbon nanotubes, or by a nanowire or nano-stick, both from Au, Ag or Cu.
Este dispositivo (Figura 1) é utilizado, preferencialmente, em equipamentos e técnicas de microscopia e espectroscopia, ambas por varredura de sonda. O dispositivo proposto (Figura 1) possui dimensões adequadas para o acoplamento com o campo elétrico de luz que propaga preferencialmente na direção normal à superfície a ser analisada.This device (Figure 1) is used, preferably, in microscopy and spectroscopy equipment and techniques, both by probe scanning. The proposed device (Figure 1) has adequate dimensions for coupling with the electric field of light, which preferably propagates in the normal direction to the surface to be analyzed.
A matéria tratada (Figura 1) pode ser acoplada a um sistema de sensoriamento da interação superfície-sonda, preferencialmente um diapasão ou tunning fork(7 na Figura 2), que será acoplado em um sistema de SNOM.The treated material (Figure 1) can be coupled to a surface-probe interaction sensing system, preferably a tuning fork or tunning fork (7 in Figure 2), which will be coupled to an SNOM system.
A presente invenção (Figura 1) pode fazer ângulos diversos com a superfície (6 na Figura 2), ao girar o elemento unidimensional ao longo dos planos xz, xy ou yz. De fato, outro importante aspecto que pode ser modulado é o ângulo que o elemento unidimensional da sonda faz com a superfície. Esta angulação permite modular o acoplamento da luz com a sonda e reaver a precisão zerodimensional da varredura. A angulação sonda-superfície também pode ser obtida de diversas formas: o elemento unidimensional é fixado na sonda com uma angulação; a sonda como um todo é fixada no sistema de sensoriamento sonda-superfície com uma angulação; a sonda pode estar fixa de forma alinhada no sistema de sensoriamento, e este apresentar uma angulação em relação à superfície, e outros. De qualquer forma, são descrições não limitantes. O importante é a angulação entre a extremidade unidimensional da sonda e a superfície.The present invention (Figure 1) can make different angles with the surface (6 in Figure 2), by rotating the one-dimensional element along the xz, xy or yz planes. In fact, another important aspect that can be modulated is the angle that the probe's one-dimensional element makes with the surface. This angle allows modulating the coupling of the light with the probe and recovering the zerodimensional precision of the scan. The probe-surface angle can also be obtained in several ways: the one-dimensional element is fixed to the probe with an angle; the probe as a whole is fixed to the probe-surface sensing system with an angle; the probe can be fixed in line with the sensing system, and it has an angle in relation to the surface, and others. Anyway, they are non-limiting descriptions. The important thing is the angle between the one-dimensional end of the probe and the surface.
O Dispositivo vazado com elemento unidimensional para microscopia e espectroscopia óptica de campo próximo (Figura 1) caracteriza-se por compreender meios de avaliar a topografia e as propriedades ópticas de uma superfície.The hollow device with a one-dimensional element for microscopy and near-field optical spectroscopy (Figure 1) is characterized by understanding means of evaluating the topography and optical properties of a surface.
A matéria tratada pode ser mais bem compreendida através do seguinte exemplo, não limitante.The treated matter can be better understood through the following non-limiting example.
Um cristal de Si (wafer,geralmente utilizado na indústria de semicondutores) foi quebrado manualmente de forma a apresentar uma região pontuda. Em seguida, esta região pontuda foi atacada por um feixe de íons (FIB), de forma a gerar uma extremidade com a estrutura de hastes piramidais (Figura 1). Finalizado a construção do sistema de hastes, nanoparticulas de metais de transição (Fe ou Ni ou Cu ou combinação destes) foram depositadas no sistema por evaporação, seguido do crescimento de nanotubos de carbono pelo método de deposição química de vapor (CVD). O alinhamento de nanotubos crescidos conectando as duas hastes foi obtido com a presença de um campo elétrico de direção apropriada dentro do sistema de CVD. Após este processo, produziu-se o dispositivo (Figura 1), que foi, então, fixado a um 5 “tunning fork’com resina epóxi, para a realização de medidas de SNOM.A Si crystal (wafer, generally used in the semiconductor industry) was broken manually in order to present a pointed region. Then, this pointed region was attacked by an ion beam (FIB), in order to generate an end with the structure of pyramidal rods (Figure 1). After the construction of the rod system, transition metal nanoparticles (Fe or Ni or Cu or combination of these) were deposited in the system by evaporation, followed by the growth of carbon nanotubes by the chemical vapor deposition (CVD) method. The alignment of nanotubes grown connecting the two rods was obtained with the presence of an electric field of appropriate direction within the CVD system. After this process, the device was produced (Figure 1), which was then fixed to a 5 “tunning fork” with epoxy resin, to perform SNOM measurements.
Imagens de AFM e NSOM foram obtidas com resoluções compatíveis às dimensões do material.AFM and NSOM images were obtained with resolutions compatible with the material dimensions.
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