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Preparação de nano ponteiras metálicas
para microscopia não-linear ultra-rápida
Desbaste eletroquímico:
Catodo e anodo imersos em solução eletrolítica. A ponteira
se forma no anodo que sofre redução quando submetido a
um potencial. A geometria é definida pelo menisco na
interface ar-líquido, conforme a figura ao lado.
A tensão deve ser interrompida imediatamente ao romper o
fio metálico que forma a ponteira. Para isso, podemos
monitorar o processo via webcam ou simplesmente
controlando o valor de tensão durante o processo, que deve
aumentar gradativamente até chegar o valor de tensão
aplicado.
Para tensão alternada, percebe-se que o desbaste ocorre a
partir da extremidade do fio, sendo necessário controlar a
tensão para cessar o processo. Neste caso o profundidade de
imersão do fio também determina a tamanho final da
estrutura.
Desbaste eletroquímico
Desbaste modo normal:
No modo normal o desbaste do fio metálico é
orientado de cima para baixo e o desbaste
ocorre rompendo o fio junto a interface arlíquido ou desbastando o fio a partir da base
inferior, dependendo da corrente ser AC ou DC e
do tamanho da parte imersa. Devido as reações
que ocorrem no catodo e anodo há formação de
bolhas de H2 que correm junto a superfície da
ponteira impedindo o contato do eletrólito com
o metal momentaneamente.
Desbaste modo reverso:
O chamado “efeito de bolhas” contribui para
uma estrutura menos aguda no modo normal. A
literatura sugere o desbaste por modo reverso,
onde - seguido o modo normal – a ponta é
direcionada para cima próxima a superfície.
Assim as bolhas formadas escorrem junto ao
metal em direção a ponta contribuindo para a
formação de uma estrutura mais aguda, o que é
desejável.
Resultados ponteiras de Cobre
Parâmetros usados:
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Anodo → fio de Cu (Ø=50 mm)
Catodo → anel de Cu (Øanel=8mm,
Øfio=1mm)
Eletrólito→ HCl
Tensão DC → 0,6 – 2,4 V
Microscópio óptico: a) 0,6 V
Imagens SEM , potencial de aceleração 10 kV
b) 1,19 V
Resultados ponteiras de Tungstênio
Parâmetros usados:
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Anodo → fio de W (Ø=50 mm)
Catodo → anel de W (Øanel=8mm,
Øfio=1,2mm)
Solução → 2N NaOH
Tensão AC : 5-12 V
Offset ≈ 2 V
Microscópio óptico, tensão de desbaste AC ≈ 9V
~ 100 nm
Imagens SEM
Resultados desbaste eletroquímico
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Nenhuma diferença foi observado entre os
resultados obtidos utilizando o anel com catodo
ou simplesmente um fio imerso junto ao
eletrólito;
A oxidação das ponteiras, principalmente nas
amostras de Cu, são evitadas mantendo as
amostras em etanol (ex. amostras de W);
A corrente alternada mostra-se mais eficiente
uma vez que a estrutura formada é mais regular;
Nenhuma mudança significativa foi observada –
dentro do limite de resolução que foi observado
nas imagens de SEM (microscópio de varredura
eletrônica) - para as técnicas de desbaste
normal e reverso;
Mudanças significantes foram observadas
variando a profundidade de imersão do fio e a
tensão aplicada;
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O melhor resultado obtido deve-se a uma
tensão AC de 9V e um comprimento de imersão
l ≈ 2mm;
A irregularidade nas amostras de Cu deve-se a
utilização da corrente DC e a oxidação
observada principalmente nas amostras mais
antigas (2 a 3 semanas);
As amostras de W foram preservadas em etanol
e a limitação de resolução do microscópio de
varredura impede a conclusão de um tamanho
exato obtido;
No entanto, pode-se inferir que o tamanho
obtido é da ordem sub comprimento de onda,
aproximadamente 100nm.
Microscopia de campo-próximo (GSH)
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A caracterização óptica das Nano Ponteiras Metálicas (NM) utilizando pulsos ultracurtos de
alta potência permite não só identificar e caracterizar propriedades Ópticas Não Lineares
(ONL), mas também características da configuração do campo próximo e da emissão
eletrônica por absorção multi-fotônica. Com isso, o trabalho é direcionado para uma técnica
já conhecida de microscopia de campo próximo (NSOM – microscopia óptica de campo
próximo) .
O efeito não-linear é inserido quando utilizamos a Geração de Segundo Harmônico (GSH) no
ápice da NM para a microscopia de campo próximo. Teoricamente consideramos a
extremidade como um único dipolo efetivo orientado ao longo do eixo da nano ponteira,
evidenciado pela dependência do sinal de GSH com a polarização do feixe incidente.
• Fonte: laser Ti:Al2O3 (Ti:safira) com pulsos ultra-curtos da ordem de 25 fs e l = 780 nm
• Sinal Segundo Harmônico: l = 390 nm
a) espalhamento em l = 780nm;
b) sinal de SH l = 390 nm;
Translação nanométrica
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Uma vez obtida as NM, devemos ter controle sobre a
sua translação e aproximação em relação a uma amostra
com precisão sub comprimento de onda (< 500nm);
Para isso, construímos um transladador baseado em um
buzzer piezelétrico dividido em 4 quadrantes atuadores
(fig. ao lado);
Variando a tensão DC de cada quadrante obtemos a
contração ou distensão da cerâmica fixa à placa
metálica, que portanto, deforma a estrutura por um
deslocamento nanométrico, varrendo uma região no
plano x-y;
Um cubo de acrílico prende a base da NM, e cada
vértice da base é colado próximo ao centro de cada
quadrante, onde a deformação é máxima;
A aproximação nanométrica ao longo do eixo z pode ser
obtida aplicando um tensão igual (offset) a todos os
quadrantes;
Aproximação sub comprimento de onda
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Com a finalidade de identificar a amplitude de translação da NM, aproximamos a mesma de uma
estrutura periódica conhecida – no caso uma grade de difração - e verificamos o sinal óptico obtido
pelo espalhamento de luz sobre o conjunto;
Para isso, é necessário que a distância entre a NM e a superfície da grade seja menos que o
comprimento da luz incidente;
Determinamos a proximidade da ponteira através de um circuito externo. A corrente medida por
um nanoamperímetro termina a proximidade da NM abaixo da distância de tunelamento;
Obtemos resultados com uma corrente de curto de 105 nA, como indica a figura abaixo. A
aproximação ocorre mecanicamente até obtermos alguma corrente, em seguida o avanço em z e
controlado pelo piezelétrico;
z
x
Microscopia óptica de campo próximo
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O laser é focado sobre a superfície da grade de
difração, através de uma objetiva, e o sinal retro
refletido é observado;
A interação entre a NM oferece uma variação do
sinal óptico, quando a distância entre eles é subl;
Aplicando uma tensão AC ≈ 127V em um dos
quadrantes do buzzer, obtemos uma variação na
posição da NM ao longo do eixo X;
Com a proximidade da grade, podemos
identificar a variação do sinal óptico,
conhecendo as distâncias entre as estruturas da
grade (≈500nm) , determinar a amplitude da
translação;
Referências:
1.
B. Ren, G. Picardi, B. Pettinger, Rev. Sci. Instrum. 75 (2004) 837.
2.
3.
4.
5.
M. Fotino, Rev. Sci. Instrum. 64 (1993)
Labardi M, Allegrini M, Zavelani-Rossi M, Polli D, Cerullo G, De Silvestri S, Svelto O, Opt. Lett. 29 (2004) 62.
S. Takahashi, A. V. Zayats, Appl. Phys. Lett. 80 (2002) 3479.
C. Ropers, D. R. Solli, C. P. Schulz, C. Lienau, and T. Elsaesser, Phys. Rev. Lett. 98, (2007) 043907.