Nanoponteiras em microscopia ótica de campo próximo

Abstract

A composição de toda matéria é uma das questões mais antigas que o homem tenta solucionar. Inicialmente, avanços neste problema foram obtidos com a invenção do microscópio óptico. Porém, a resolução deste está limitada pelo princípio de Abbe. Torna-se então necessária a utilização de outras faixas do espectro de radiação, que não a luz visível, para sondar a composição e a forma da matéria. Uma alternativa é o uso de elétrons, cujo comprimento de onda depende da velocidade dos mesmos Sendo assim, se acelerados por um potencial suficientemente elevado, elétrons, através do microscópio eletrônico de transmissão, ou do microscópio eletrônico de varredura, podem fornecer um mapeamento de estruturas nanométricas e até de grupamentos de átomos. Há porém um empecilho: ao utilizar-se outras faixas do espectro que não o visível, perde-se a análise das propriedades ópticas do material a ser estudado. Para tentar recuperar esta análise, bem como romper o limite de Abbe, Synge, em 1928, propõe a utilização do fenômeno de campo próximo para a localização de um objeto. Devido à impossibilidades experimentais, a técnica é desenvolvida apenas em 1972 por E. A. Ash e seu grupo. Com isto, um novo universo surge: técnicas de varredura com nanoponteiras, que permitem uma série de análises possíveis do material. Dentre as possíveis técnicas, uma em particular utiliza o fenômeno de campo próximo relacionado à dimensão da ponta de prova: a microscopia óptica de campo próximo. Para o entendimento do processo acima, é necessário o entendimento do conceito de campos e ondas evanescentes. Este conceito por si só, explica e descreve a utilização de nanoponteiras de fibra óptica na aplicação da técnica. Na utilização de nanoponteiras metálicas, é necessário o entendimento de plásmons de superfície, que são quase-partículas que surgem do acoplamento de uma ondas eletromagnéticas na superfície de um metal. Contudo, devido às relações de dispersão dos plásmons de superfície, bem como os possíveis valores para o momento da luz incidente, notase que, pela conservação de momento, não é possível a direta excitação luz-plásmons. A partir deste fato, torna-se necessária a utilização de métodos para que haja esta excitação, dentre os principais: uso de uma grade de difração e a configuração do prisma de Kretschman. Com isto, é possível fazer com que plásmons de superfície se propaguem para uma região da nanoponteira cujo comprimento seja menor que o comprimento de onda do plásmon, formando o plásmon de superfície localizado, que se propaga como uma onda evanescente e é aplicável na microscopia de campo próximo. No presente trabalho, estuda-se os fenômenos associados a esta técnica que, como resultado, rompe o limite de Abbe e consegue resoluções da ordem de um vigésimo do comprimento de onda da luz visível utilizada.

The composition of all matter is one of the questions older that the mankind try to solve. Initially, advances in this problem has been obteined with the invention of the optical microscope. However, the resolution of this is limited by the Abbe principle. Then becomes required the use of others bands in the spectrum of radiation, not the visible light, to probe the composition and the formo f the matter. An alternative is the use of electrons, whose wavelength depends on the velocity of the same. Thus, if accelerated by a potential high enough, electrons, through the electronic transmission microscope or by scanning electronic microscope, can provide an imaging of nanometric structures and until groups of atoms. There are however an flaw: in the use of anothers bands of the sprectrum not visible, get lost the optical properties of the material in study. To try recover this analyse, as well as trying break the Abbe limit, Synge, in 1928, proposes the use of the near field phenomenon to locate na object. Due the experimental impossibilities, the technique is developed only in 1972 by E. A. Ash and your group. Whit this a new universe arise: scanning techniques with nanoprobes, that allows a set of material analyzes. Among the possibles techniques , one in particular uses the near field phenomenom related to the dimension from the tip probe: the near field microscopy. To understand the process above is necessary the understanding of the concept of evanescent fields and waves. This concept alone can explain the use of nanoprobres made of optical fibers in the technique aplication. In the use of metalic nanoprobes, is necessary the understanding of surfasse plasmons, they are almost-particles that arise from the eletromagnetic wave coupling in the metal surfasse. Yet, due the dispersion’s relations of surface plasmons as well as the possible values of incidente light momentum there is, for the momentum concervation, an impossibility to direct convert light into plasmons. From that fact, is necessary the use of methods to providing this excitation, among the mains: use of diffraction grating and Kretschman prism.With this, it must be possible to do surface plasmons propagate to a region of the nanoprobe whit lenght is less than the plasmon’s wavelenght, creating the localized surface plasmon, that propagate like an evanescente wave and is applicable to the near field microscopy. In this dissertation, is studied the phenomena link to this technique that, as a result, breaks the Abbe limit and can resolve objects in order by one twentieth of the wavelenght of the visible light used.