SONDA

Campo da invenção:

[1] A presente invenção se insere no campo de sistemas detectores de luz, e seus componentes associados para melhorar a eficiência de detecção, transmissão e aproveitamento da luz em microscópios de varredura de sonda.

Fundamentos da invenção:

[2] A maioria dos microscópios de varredura de sonda são muito sensíveis na detecção de topografia e propriedades da superfície de materiais, e tem sido grandes aliados nos estudos envolvendo o desenvolvimento e o estudo de modificações estruturais atreladas ao processamento destes. Além das medidas usuais dentro dos microscópios de varredura de sonda, é possível em certas situações que a amostra emita luz durante o processo de imageamento devido, por exemplo, à corrente túnel (no caso de um microscópio de varredura de tunelamento).

[3] No entanto, dentro destes microscópios há pouco espaço para a instalação de detectores de luz e a luz emitida pela amostra dentro do microscópio pode ser extremamente fraca (em termos de potência luminosa total emitida).

[4] Nesse âmbito, o desenvolvimento de sistemas de detecção de luz mais adequados para cada tipo de microscópio, tem sido objetos de estudos nos últimos anos, principalmente com o intuito de melhor a cadeia de detecção-transmissão- aproveitamento dos feixes de luz de forma adequada. [5] Os microscópios eletrónicos de transmissão (do inglês STEM) e os microscópios eletrónicos de varredura (do inglês SEM) utilizam tecnologias de detecção de luz de forma análoga, que também envolvem o uso de um manipulador com sistema piezelétrico que opera em vácuo, melhorando assim diversos problemas de detecção de luz.

[6] No entanto, no caso da microscopia eletrónica de varredura é possível produzir esse tipo de microscópio com um volume livre dentro dele relativamente grande, o que não ocorre nos microscópios de varredura de sonda e microscópios eletrónicos de transmissão, pois ambos atuam com uma limitação de volume.

[7] Desse modo, na tentativa de transpor tecnologias de detecção associadas principalmente ao microscópio eletrónico de varredura, encontram-se barreiras principalmente no que tange a questão de espaço. Além disso, existe uma barreira relativa à estabilidade térmica pois tanto a microscopia eletrónica de varredura (SEM) quanto o microscópio de transmissão (STEM) trabalham usualmente em temperatura ambiente, enquanto o microscópio de varredura de tunelamento (STM) é usual para baixas temperaturas. Além disso, no caso do microscópio de transmissão (STEM) a manipulação é feita em ar e não em vácuo, pois é mais simples ainda que implique em limitações com relação a possibilidade de refrigerar o manipulador e implica em braços de alavanca mais longos.

Estado da técnica:

[8] Alguns documentos do estado da técnica descrevem sistemas de detecção de luz para microscópios que possuem algumas similaridades, no entanto, não concretizam o cerne da presente invenção.

[9] No documento US10141158 revela-se um aparelho de obtenção de imagens de inspeção que inclui uma câmara de vácuo, um canhão de elétrons, um sistema de lentes, um espelho óptico e um detector. 0 espelho óptico é disposto entre o sistema de lentes e o canhão de elétrons, em que o espelho óptico tem um orifício alinhado com a segunda abertura, permitindo assim que o feixe passe através da fenda, a primeira abertura e a segunda abertura. Além disso, existe uma abertura circular disposta entre o canhão de elétrons e o espelho óptico; uma grade alinhada horizontalmente com o espelho óptico e configurada para refletir em direção à catodoluminescência do detector refletida no espelho óptico; e um detector alinhado com a grade, em que o detector está configurado para detectar a catodoluminescência para medir um espectro da luz emitida.

[10] 0 sistema relatado em US10141158 se configura como um típico sistema de coleção de luz para microscópios eletrónicos de varredura (SEMs). Identifica-se ainda que, o espaço de passagem do feixe de luz é fixo e de baixa abertura numérica, enquanto, na presente invenção é possível ajustar a posição do espelho, propriedade crucial para permitir o alinhamento, e ainda possui alta abertura numérica, propriedade crucial para aumentar a eficiência do espelho.

[11] No documento US2019064210 revela-se um aparelho de controle de corrente de túnel que inclui espelhos e espelhos parabólicos fora do eixo para serem aplicados em um STM, sendo que o espelho parabólico fora de eixo M8 introduz a saída de pulso de onda terahertz do elemento de geração de onda terahertz 20 e alcança através da unidade de ajuste do portador da fase de envelope (Carrier Envelope Phase, CEP) 30 e o espelho M2, de modo que o pulso de luz da sonda sai da unidade ramificada 12 e o atinge.

[12] Além disso, o espelho parabólico fora de eixo M8 combina o pulso de onda terahertz de entrada e o pulso de luz da sonda, de modo a serem coaxiais um com o outro, e saem para o elemento de detecção de onda terahertz 40. A saída do pulso da luz da sonda da unidade de ramificação 12 é refletida sequencialmente pelos espelhos M3 a M6, passa pelo polarizador 15 e é inserida no espelho parabólico fora de eixo M8. Um furo passante através do qual o pulso da luz da sonda passa é fornecido no espelho parabólico fora do eixo M8, e o pulso da luz da sonda que passou através do furo passante é combinado com o pulso da onda terahertz na superfície de reflexão do parabólico fora do eixo espelho M8.

[13] Apesar da similaridade relativa à geometria de uma disposição de elementos óticos da presente invenção, há uma grande diferença de finalidade em US2019064210, visto que o sistema proposto não é otimizado para promover a coleção de luz e, desse modo, apresentaria uma eficiência de coleção muito baixa pois o espelho tem uma pequena abertura numérica.

[14] No artigo "STM light emission from Ag/Si(111)"

(Suzuki; Minoda; Yamamoto, 1999) identifica-se o uso de um manipulador dentro do ambiente UHV (vácuo), para STM, em correlação com o fato de que a análise é realizada sob resfriamento com LN ₂ (80K) através do resfriamento da amostra. Na presente invenção, o manipulador também é compatível com refrigeração de 80 K (-193,15 °C) e menores.

[15] Fundamentalmente, as principais diferenças em relação ao sistema estudado neste artigo se pautam em relação ao uso da fibra ótica para acoplamento entre o espelho coletor e o espectrômetro.

[16] As dificuldades relativas ao uso do sistema se pautam na capacidade técnica de alinhar o sistema adequadamente e na certificação de que a maior parte da luz coletada está de fato sendo transmitida até o espectrômetro, sendo que a fibra ótica tem um papel crucial para essa coleta de luz.

[17] Além disso, verifica-se nos mais diversos documentos que uma fibra ótica localizada próxima da fonte emissora de luz permite uma coleção somente de 1% dela, devido a seu pequeno ângulo sólido, alguns documentos com o uso de meios óticos intermediários conseguiram uma coleção de 30%. Em contrapartida, a presente invenção ao utilizar um espelho de alta abertura numérica e ao ajustar sua posição com precisão melhor que 500nm por meio do manipulador em ambiente de UHV que permite que o sistema utilize de fato a alta capacidade de coleção de luz de um espelho parabólico de alta concavidade, pois torna-se possível posicionar o espelho tal que a junção túnel esteja no ponto focal com alta precisão. Desse modo, a presente invenção permitiu uma coleção em torno de 72%, algo inédito em relação ao estado da técnica.

[18] No documento W02011148073 revela-se um sistema de detecção caracterizado por compreender meios (606, 614-618) para posicionar elementos ópticos, os referidos meios de posicionamento compreendendo vários elementos de translação dos referidos elementos ópticos, sendo que estes elementos óticos compreendem preferencialmente um espelho parabólico, e ainda pode compreende um espelho plano ou elíptico associado a uma lente coletora disposta a jusante do referido espelho plano e retornando a radiação luminosa. 0 sistema de acordo com a invenção pode compreender, a jusante da ótica de coleta, meios ópticos para adaptar a radiação luminosa a fim de injetar a referida radiação luminosa em uma fibra ótica ou em um detector, como, por exemplo, uma lente que permite ajustar o tamanho da radiação luminosa e ângulo de incidência na entrada de uma fibra ótica ou de um detector

[19] A tecnologia apresentada em W02011148073, apesar de apresentar objetivos e componentes de sistema similares ao da presente invenção, principalmente no que tange ao uso do espelho parabólico, apresenta deficiências, como a falta de flexibilidade, que foram resolvidas com algumas especificidades do sistema da presente invenção, como descritas a seguir.

[20] W02011148073 discorre sobre um sistema de catodoluminescência ajustável e flexível, incitando que é fundamental poder colocar o espelho exatamente no lugar certo para que funcione e que pelo uso de um feixe de fibras óticas é possível contornar pequenos desalinhamentos, no entanto, não profere meios específicos para que este alinhamento preciso ocorra. Além disso, essa tecnologia foi desenvolvida para microscópios de partículas carregadas (SEM, STEM, FIB, etc.). Não se fala diretamente sobre microscópios de sonda, como STM, AFM, dentre outros.

[21] Apesar de alguns componentes serem comuns entre as tecnologias, o uso de uma mesa ótica anexada ao microscópio e o uso de elementos óticos livres para injeção na fibra na presente invenção permitem não apenas uma flexbilização do sistema de coleção (como, por exemplo, a adição de filtros óticos, polarizadores etc), como também auxiliam no processo de alinhamento. Tais possibilidades não são divulgados em W02011148073, de modo que as etapas de manipulação da luz ficam limitadas ao que pode ser feito dentro dos tubos (306) (314).

[22] Ademais, faz-se necessário evidenciar que ao utilizar a ótica fora de um tubo (mesa ótica) se torna possível fazer outros tipos de experimento pela injeção de luz. Assim, é possível fazer experimentos de fotoluminescência para alinhar o sistema como um todo, além de ser possível fazer medidas de fotoluminescência e espectroscopia Raman exaltada pela ponta (Tip Enhanced PL e Tip Enhanced Raman Spectroscopy, TERS).

[23] Ao se comparar, por exemplo, a figura 4 do documento W02011148073 na qual constam: Espelho (112); Janela (312); Lente (316); Tubo com o conjunto de fibras óticas (116), verifica-se principalmente que, na presente invenção o manipulador com o espelho está dentro da janela e, do lado externo, há espaço para colocar vários elementos (incluindo um laser). Todos são montados de forma ajustável pelo uso de montagens óticas padrão. Além de coletar a luz vinda das amostras, é possível ainda injetar a luz utilizando o laser como guia, o que se revelou extremamente útil para o alinhamento fino do espelho.

[24] Uma das dificuldades técnicas superada se pauta no fato de compreender que tal manipulador UHV é de fato compatível com o STM, identificar que é viável utilizar tal manipulador dentro do STM, e ainda como fazê-lo. 0 manipulador apresenta extrusões estruturais nele e também no espelho para permitir a colocação do espelho na posição de utilização. 0 espaço típico entre a estrutura que sustenta a ponta do STM e a amostra é pequena (~3 a 5 mm) e a parte do sistema de coleção de luz que entra dentro do STM deve ser compatível com isso.

[25] 0 manipulador movimenta apenas o espelho e não os demais elementos óticos, ao contrário da patente W02011148073. Assim, ao mover apenas o espelho, é preciso saber o que fazer com o feixe de luz que vem do espelho. Novamente, isso torna a operação e alinhamento mais complexos que em W02011148073, porém mais eficientes.

[26] Além disso, outros diferenciais a serem pontuados são: presença de um furo no espelho parabólico que permite que a ponta o atravesse, a forma do espelho parabólico é diferente em relação ao estado da técnica, há possibilidade de um controle de colisão.

[27] A questão da estabilidade térmica é um problema amplamente identificado no estado da técnica, que usualmente afeta a obtenção das imagens em STM. É importante notar que o STM é frequentemente utilizado em temperaturas criogênicas, especialmente nas temperaturas entre ~1 e cerca de ~10 K ou 80 K, durante refrigeração com Hélio ou com Nitrogénio líquidos respectivamente .

[28] Entretanto, o espelho está usualmente à temperatura ambiente e, ao mesmo tempo, a conexão térmica entre o STM e o criostato é bastante fraca para evitar acoplamento mecânico. Por conta disso, quando o espelho foi introduzido conforme a presente invenção, a amostra dentro do STM (local de medida de temperatura) aqueceu de 80K para cerca de 140 K, dependendo de cada análise. Não obstante que esse aumento de temperatura não seja desejado, a instabilidade térmica causa grandes distorções nas imagens e poderia mesmo inviabilizar o registro delas. Desse modo, se evidencia a necessidade de refrigeração do espelho igualmente.

[29] Assim se desenvolveu meios para o resfriamento do manipulador UHV que se baseia essencialmente na circulação de líquidos criogênicos, de modo que a fonte de frio é conectada a haste/espelho por meio de uma malha de cobre. Além disso, outros componentes são utilizados para tornar o referido sistema robusto o suficiente para tal aplicação, principalmente no que tange aos materiais construtivos e suas propriedades, sendo a utilização de isolantes térmicos como os polímeros termoplásticos compatíveis com o UHV e isolantes térmicos, como o (Poli(éter-éter-cetona),PEEK) promissores no desenvolvimento de tais meios de refrigeração.

[30] Por fim, entende-se que a inventividade e novidade se apoiam sobre a combinação de diversos elementos diferenciais que são essenciais para que o sistema atue com alta precisão, mais especificamente tendo alta eficiência de coleção e transmissão ótica, pelo uso de um espelho parabólico de alta abertura numérica, associado a um manipulador e ótica ajustável. Ou seja, têm alta eficiência de fato e não apenas contém elementos de alta eficiência, sendo que tal conjunto pode ser resfriado para perturbar menos o STM se este estiver frio, e ainda exige mínimas alterações nos mais diversos modelos de STM para que o conjunto seja instalado.

Breve descrição da invenção:

[31] A presente invenção se configura essencialmente como um sistema que compreende: um espelho parabólico espacialmente configurado (1); pelo menos uma lente convergente, preferencialmente uma lente convergente asférica (2); um manipulador de posicionamento submicrométrico (3), preferencialmente com precisão absoluta menor ou igual 500 nm; pelo menos uma fibra ótica (4); pelo menos um espectrômetro ótico (5); e opcionalmente, meios para refrigerar um manipulador em Ultra Alto Vácuo (7). 0 referido manipulador de posicionamento preciso (3) posiciona o espelho parabólico (1), preferencialmente com precisão menor ou igual 500 nm, por meio de uma configuração ortogonal de transladores piezelétricos que permite que o sistema atue com alta precisão, mais especificamente atingindo a máxima eficiência de coleção do espelho parabólico especialmente configurado, 72% do ângulo sólido de um hemisfério. 0 sistema conta ainda com uma mesa ótica (8) acessória localizada em ambiente externo fora da câmara de ultra alto vácuo (UHV) compreendendo elementos óticos livres para maior injeção/convergência na fibra ótica (4).

Breve descrição das figuras:

[32] Para auxiliar na identificação das principais características deste sistema de detecção de luz para microscópios de varredura de sonda são apresentadas as figuras às quais se faz referências, conforme se segue:

[33] Na Figura 1 apresenta-se um diagrama esquemático do referido sistema compreendendo seus principais componentes: espelho parabólico; lente convergente; fibra ótica ou feixe de fibras óticas e um espectrômetro ótico. Também são indicados os elementos para injeção de luz e realização de fotoluminescência : laser, divisor de feixe e filtro.

[34] Na Figura 2 revela-se em vista explodida o manipulador UHV incluindo o suporte do espelho e o espelho, que compreende: espelho parabólico (2.1), suporte do espelho (2.2) não compatível com refrigeração, transladores piezo elétricos (2.3), suporte fixo na câmara de vácuo (2.4), base ajustável para fixação do primeiro translador piezo-elétrico (2.5), conectores/acopladores entre os transladores (2.6), feitos preferencialmente em alumínio, conector/acoplador entre o último piezo e o suporte do espelho, que pode ser confeccionado em alumínio ou em PEEK, condizente com a aplicação à temperatura ambiente ou à temperatura criogênica, respectivamente, em que um isolador térmico é posicionado entre o suporte do espelho e o último conector;

[35] Na Figura 3 apresenta-se o referido manipulador montado em uma pequena câmara de vácuo no qual ele fica instalado. Tal câmara é instalada na câmara de vácuo principal do microscópio de varredura de sonda. São indicados ainda em detalhe: o espelho parabólico (3.1), o suporte do espelho (3.2) não compatível com refrigeração, os transladores piezo elétricos (3.3), uma flange para conexões elétricas dos transladores (3.8), a janela em safira para saída da luz (3.4), a flange para instalação do sistema de refrigeração do espelho (3.5) e uma flange sobressalente opcional (3.6).

[36] Na Figura 4 revela-se outra versão do suporte do espelho, sendo este compatível com refrigeração, e ainda são indicados os orifícios para fixação do espelho parabólico 3.1 por parafusos (4.1), os orifícios para fixação da peça de conexão (4.2), orifícios para fixação da malha de cobre que faz a refrigeração do suporte do espelho (4.3), orifício para instalação do sensor de temperatura (4.4);

[37] Na Figura 5 revelam-se três vistas em perspectiva do referido espelho parabólico indicando: o orifício pelo qual passa a ponta do microscópio (5.1), superfície espelhada (5.2), chanfro para melhor aproximação na amostra (5.3), orifícios para fixação por parafusos (5.4), orifício para observação da passagem da ponta e acomodação de partes da estrutura da ponta do microscópio (5.5);

[38] Na Figura 6 apresenta-se um espectro de emissão de luz por uma ponta de Pt/Ir em uma amostra de micro-partículas de prata medidos em função da tensão aplicada, ao utilizar o sistema de detecção da referida invenção;

[39] Na Figura 7 apresenta-se um gráfico de correlação entre a taxa de detecção de luz (uma convolução entre a emissão, transmissão e sensibilidade do detector) e a corrente de tunelamento, para uma amostra de micro-partículas de prata com ponta de tungsténio, ao utilizar o sistema de detecção da referida invenção;

[40] Na Figura 8 revela-se uma imagem de QDots CdSe/ZnS dispersos em HOPG e um espectro de fotoluminescência medido dentro do STM à temperatura ambiente;

[41] Na Figura 9 revela-se um gráfico da eficiência da coleta de luz como uma função posição da fonte, ou seja, a partir da ponta, movendo-se no plano da amostra. No centro há uma região de máxima eficiência na qual a eficiência atinge 36%, sendo esta calculada considerando uma esfera completa, o que é equivalente a 72% de um hemisfério, que é a métrica mais utilizada.

[42] Na Figura 10 revela-se um dispositivo inicial factível para o transporte de nitrogénio ou hélio líquidos para resfriamento do espelho, em que um dos tubos atua como entrada de líquido e o outro como saída.

[43] Na Figura 11 revela-se um esquema do sistema de resfriamento consolidado de resfriamento criogênico para resfriamento do suporte do espelho, que compreende: a entrada de líquido criogênico (11.1), tubo interno para transferência do liquido até o fundo do sistema (11.2), tubo externo para volta do liquido ou gás (11.3), bloco em baixa de temperatura para ligação com a malha de cobre (11.4), malha de cobre para ligação até o suporte do espelho (11.5), base de cobre (11.6) para trazer o frio da malha de cobre até o suporte do espelho, anéis de vedação (11.7), exaustação (11.8);

[44] Na Figura 12 revela-se o resultado de uma simulação de raios isotrópicos de luz emitidos no ponto focal da parábola (de tamanho W _e ) e focalizados por uma lente fina (elipse azul semitransparente), região de tamanho W _s na posição onde fica o feixe de fibra ótica.

[45] Na Figura 13 revela-se uma ilustração dos parâmetros básicos (área e ângulo sólido) a serem considerados na conservação de brilho e extensão geométrica (Etendue) do sistema ótico.

Descrição detalhada da invenção:

[46] A presente invenção se refere a sistema de detecção de luz para microscópios de varredura de sonda, e em particular microscópios de varredura de tunelamento.

[47] 0 referido sistema de detecção compreende essencialmente : um espelho parabólico espacialmente projetado (1); pelo menos uma lente convergente (2); um manipulador de posicionamento sub-micrométrico (3); pelo menos uma fibra ótica (4); pelo menos um espectrômetro ótico (5); e meios para isolar termicamente (6) o suporte do espelho dos demais componentes do manipulador (3).

[48] 0 referido sistema pode compreender ainda, opcionalmente, meios para refrigerar o suporte do espelho em Ultra Alto Vácuo (7).

[49] 0 referido espelho parabólico (1) coleta e reflete a luz proveniente da amostra excitada pela corrente túnel proveniente da ponta para a amostra incitada por uma tensão elétrica.

[50] A luz refletida no referido espelho parabólico (1) refrata por pelo menos uma lente convergente (2), preferencialmente uma lente convergente asférica, convergindo para um ponto de convergência, preferencialmente formando um cone de luz de abertura numérica compatível com a da fibra ótica e com a do espectrômetro.

[51] No ponto de convergência, pelo menos uma fibra ótica (4), preferencialmente com a mesma abertura numérica que o espectrômetro, preferencialmente com um tamanho físico total maior que W _s , conduz a luz (sinal ótico) por meio de reflexões sucessivas em direção ao pelo menos um espectrômetro ótico (5).

[52] Assim, o pelo menos um espectrômetro ótico (5), mede as propriedades do feixe de luz no espectro eletromagnético compreendido entre o UV e IR, ou seja, de 200 a 5000 nm; e o manipulador de posicionamento submicrométrico (3) posiciona o espelho parabólico (1) preferencialmente com precisão menor ou igual 500 nm.

[53] Além disso, os meios para refrigerar o suporte do espelho que estão montados em um manipulador dentro do Ultra Alto Vácuo (7), resfriam o referido suporte por meio do contato indireto com fluidos criogênicos, sendo que o referido suporte está isolado termicamente dos demais elementos do manipulador permitindo assim um melhor aproveitamento da potência de refrigeração oferecida, menor temperatura final e melhor aproveitamento dos fluidos criogênicos.

[54] 0 referido sistema compreende uma mesa ótica (8) acessória com espaço para instalação dos vários elementos, incluindo divisores de feixe, filtros, lentes, espelhos, fibra ótica, entre outros, tal como indicados na Figura 1, preferencialmente alinhada e fixa com o manipulador piezo elétrico que posiciona o espelho parabólico.

[55] 0 espelho parabólico (1) foi desenhado preliminarmente por meio de sistemas de simulação computacional utilizando a linguagem Python, com o intuito de evidenciar um formato que permite uma máxima coleção de luz vinda da amostra para depois fazer a convergência da luz para a fibra ótica após passar pela lente. Ou seja, o objeto de estudo foi principalmente relacionado a reflexão da luz no espelho e posterior refração na lente, definindo-se principalmente parâmetros como a concavidade da parábola e suas dimensões. Nesse processo os detalhes do espaço disponível dentro do microscópio e no entorno da ponta também devem ser levados em consideração.

[56] A simulação permite a percepção de como os raios emitidos pela fonte de pontos isotrópicos próximos ao foco se espalham à medida que são refletidos pelo espelho parabólico e retratados pela lente, até convergirem para a região onde fica a fibra ótica, conectada a um espectrômetro. No caso de a fonte pontual estar exatamente no ponto focal, e considerando a geometria real dos componentes do sistema, a eficiência de coleção de luz do sistema é de cerca de 72% da luz total emitida pela fonte, considerando apenas um hemisfério. Essa proporção de coleção, 72%, é considerada muito alta com relação ao estado da técnica e consistente com a alta concavidade do espelho parabólico (parâmetro da parábola próximo de 1 mm) e sua proximidade com relação a junção túnel (ponto de emissão de luz).

[57] Os resultados de simulação demonstraram que no plano da amostra podemos detectar uma região de cerca de 5x5 micrômetros sem perda de eficiência. Além disso, a profundidade do foco do espelho é de cerca de 50 micrometros. Percebeu-se que, à medida que a fonte é afastada do foco, a eficiência do sistema diminui abruptamente, conforme pode ser verificado na Figura 9. Apesar disso, uma eficiência de cerca de 10% é possível em uma região de 10x10 micrômetros. Vale notar que seria possível modificar o espelho (aumentando o parâmetro da parábola) para que houvesse uma área maior com coleção significativa ainda que houvesse redução da eficiência de coleção ao fazê-lo.

[58] Portanto, o espelho é espacialmente e geometricamente configurado para estar dentro do microscópio de varredura de sonda e próximo à superfície da amostra.

Considerando que o espaço típico entre a estrutura que sustenta a ponta do STM e a amostra é pequena (~3 a 5 mm) e a parte do sistema de coleção de luz que entra dentro do STM deve ser compatível com o espaço físico disponível de modo a evitar modificações no STM em si.

[59] Pela Figura 9 é possível verificar ainda que a coleta de luz do sistema é muito eficiente em pontos próximos ao foco. 0 tamanho da área no qual a melhor coleta pode ser obtida é maior que o campo disponível em um STM para formar imagens de microscopia, portanto essa configuração ótica é adequada para aplicação nesse tipo de microscópio. Isso corrobora as evidências de que o referido sistema óptico possui alto desempenho e total compatibilidade com o microscópio de varredura de sonda e, em particular, de tunelamento (STM).

[60] Além da definição do formato exato do espelho, as simulações permitiram determinar parâmetro de lente, distância focal e diâmetro, e da fibra, abertura numérica, que devem ser utilizados para que o máximo possível dos raios de luz coletados pelo espelho sejam encaminhados para o espectrômetro.

[61] 0 parâmetro da parábola, definido como sendo duas vezes a distância entre o ponto focal e o vértice da parábola, do referido espelho parabólico está compreendido entre 0,5 e 4 mm e preferencialmente entre 0,9 e 2 mm.

[62] A elipse semitransparente da Figura 12 representa uma lente convergente que focaliza os raios paralelos oriundos do espelho em um feixe de fibras óticas. Esse feixe permite transportar a luz emitida pela amostra dentro do STM para o espectrômetro sem que problemas de desalinhamento interfiram da aquisição de espectros. Assim, foi possível determinar quais parâmetros de lente usar, principalmente relativos ao diâmetro e distância focal efetiva (EFL).

[63] A lente convergente (2), preferencialmente asférica, desse modo, se configura de forma especialmente ajustada e alinhada com o espelho parabólico, e seu diâmetro deve ser capaz de cobrir toda a área projetada do espelho parabólico, sendo tipicamente uma lente de uma polegada de diâmetro e sua distância focal efetiva deve ser tal que forma um feixe com abertura numérica igual aquela da fibra ótica ou menor. De forma preferencial, o diâmetro da referida lente convergente, preferencialmente asférica, varia de 5 à 50 mm, sendo preferencialmente de 25,4 mm, e sua distância focal efetiva varia de 50 a 100mm, sendo preferencialmente de 65mm.

[64] Devido à necessidade de alinhamento preciso, a lente e a fibra estão montadas em manipuladores óticos para uma montagem precisa e flexível, visto que este alinhamento é crucial para obter a eficiência máxima de detecção de luz.

[65] O manipulador de posicionamento preciso (3), ou manipulador piezelétrico para ultra alto vácuo, compreende um sensor de posição que permite conhecer seu posicionamento fixo, bem como qual o seu deslocamento até chegar nessa posição, visto que este identifica onde o aparelho está com relação a um ponto de referência, facilitando ainda mais o alinhamento. 0 manipulador usado na concretização da invenção tem, de acordo com sua especificação técnica, uma precisão de posição de cerca de 10 nm. No entanto, de acordo, com o estado da técnica uma precisão de lOOnm a 500nm, seria o suficiente para realizar o alinhamento. Portanto, o manipulador tem uma especificação que garante uma precisão de pelo menos 500nm no alinhamento óptico a fim de realizar medidas de luminescência em um microscópio de tunelamento de baixa temperatura (LT-STM). Este manipulador é capaz de sustentar o peso do suporte do espelho, do espelho e da malha de cobre que pode fazer a refrigeração, ainda com folga para a inclusão de outros elementos.

[66] 0 referido manipulador, e, em particular, o suporte do espelho, é (são) projetado(s) de modo a facilitar o encaixe dentro do microscópio de varredura de sonda na posição adequada, e também, no caso particular do suporte do espelho, para possibilitar o encaixe dos meios para sua refrigeração (7).

[67] 0 referido manipulador é baseado em cinco eixos, dentre eles: 3 ortogonais X, Y e Z, que são movidos por transladores piezoelétricos, um referente à rotação no flange na pequena câmara de vácuo que suporta o manipulador e um referente à inclinação no suporte dos piezos. Ressalta-se a necessidade de validação das dimensões e peso destes, devido ao fato de a movimentação do manipulador ser baseada no movimento de dispositivos piezoelétricos com limitação de peso, de aproximadamente IN.

[68] 0 espelho é sustentado por um suporte que é por sua vez posicionado pelos referidos três posicionadores piezoelétricos formando um nanomanipulador responsável por posicionar o espelho com grande precisão. Devido ao comprimento do suporte é possível imaginar que exista um pouco de vibração.

Entretanto, o perfil estruturado projetado e o comprimento foi minimizado para evitar vibrações mecânicas, tal como indicado na Figura 4.

[69] 0 manipulador assegura o vácuo do sistema, ou seja, é compatível com o vácuo do sistema, e tem movimentos suaves e controlados por computador. É importante também que o manipulador permita tanto a inserção do espelho quanto sua remoção total e o fechamento de um escudo térmico para que o STM opere em condições padrão de funcionamento quando o espelho é removido.

[70] Pela Figura 2 identifica-se um diagrama do manipulador em vista explodida com destaque para o espelho (2.1), suporte do espelho (2.2), posicionadores (2.3), suporte fixo na pequena câmara UHV (2.4), e base ajustável (2.5).

[71] Pela Figura 3 identifica-se o mesmo manipulador agora montado em uma pequena câmara UHV (3.7), sendo que a flange de UHV é adaptada para conectar a tal pequena câmara com a câmara principal de ultra-alto-vácuo do microscópio, e onde pelo menos uma flange permite a conexão elétrica dos piezos (3.3), uma flange permite a entrada de um sistema de frio para o manipulador (3.5) e uma porta coringa para eventual aprimoramento do sistema ótico pela colocação de um divisor de feixes dentro do vácuo (3.6).

[72] Parafusos PEEK podem ser utilizados para fixar o suporte do espelho (2.2) no conector/acoplador (2.7) com o translador piezoelétrico vertical para fazer o desacoplamento térmico e, além disso, é possível colocar entre (2.2) e (2.7) um desacoplador térmico em PEEK (2.8).

[73] Além disso, ao se identificar algumas dificuldades no suporte do espelho desenvolveu-se ainda uma peça suporte idealmente encaixável, conforme figura 4, que permite o acoplamento de malhas de cobre para refrigeração (4.3), a instalação de um sensor térmico (4.4) além de possuir um desenho que evita ressonâncias mecânicas e tem grande robustez mecânica e que permite maior aproveitamento da luz em caso de sutis desalinhamentos do espelho pelas maiores aberturas.

[74] De fato, percebeu-se que o manipulador sem esse suporte perdia uma parte significativa da luz coletada e não era possível fixa-lo adequadamente pois a peça não tinha rigidez mecânica suficiente.

[75] 0 referido manipulador possui um ajuste de inclinação próprio feito através do suporte (2.5) que pode conter calços para alinhamento, e o outro ajuste de inclinação ocorre através do flange UHV (2.4), do tipo rotatório.

[76] Notou-se que o comprimento desta flange afeta de forma significativa o desempenho do sistema ótico de coleta de luz. De fato, a lente e a fibra ótica ficam do lado de fora do vácuo (3.4), atrás da janela UHV que é vista no lado direito da Figura 3 (a lente e a fibra não são representadas na Figura 3). Assim, simulações foram feitas para avaliar o impacto desse comprimento e ajustá-lo dentro do possível. A conclusão foi que, como se poderia esperar, quando o espelho está perfeitamente posicionado não há efeitos adversos, mas qualquer desalinhamento se torna menos significativo quando o comprimento desse tubo tem o menor valor possível. Assim, esforços foram feitos no projeto da pequena câmara de vácuo representada na Figura 3 que sustenta o nano-manipulador para que ela fosse o mais curta possível, reduzindo a distância entre (3.1) e (3.4), e assim tornando o sistema ótico mais robusto contra desalinhamentos.

[77] Em relação a fibra ótica (4) os requisitos essenciais se relacionam principalmente a sua abertura numérica que deve ser igual àquela do espectrômetro utilizado. Outros fatores essenciais para definir o feixe de fibras são diâmetro e quantidade para que a área ativa da fibra ótica seja igual ou maior que a área da região de largura Ws . Assim, preferencialmente se utiliza feixes com 1, 7, ou, mais preferencialmente, 19 fibras. Assim, preferencialmente, cada fibra tem um núcleo de diâmetro entre 50 e 200 micrometros, mais preferencialmente 100 micrometros. A referida fibra ótica (4) possui abertura numérica preferencial entre 0,1 e 0,13 ou mais preferencialmente 0,12.

[78] O referido espectrômetro ótico (5) atua no final da cadeia de movimento da luz medindo então suas propriedades na faixa do espectro eletromagnético compreendido entre o UV e o IR, possibilitando o registro de espectros de luminescência da amostra observada no microscópio de varredura de sonda. O referido espectrômetro deve contar com um sistema de acoplamento de fibra ótica e deve ter uma abertura numérica suficientemente alta para ser compatível com as tecnologias de fibras óticas, preferencialmente uma abertura numérica (Numerical Aperture, NA) de 0.12;

[79] Há necessidade de uma avaliação de toda a cadeia de luz para garantir a eficiência de todo o sistema, desse modo, o ponto de partida é o teorema da conservação do brilho, semelhante ao teorema da conservação de extensão ótica. 0 brilho, definido como a potência emitida por área de emissão por ângulo sólido de emissão, é conservado para projetar uma alta transmissão no sistema de coleta, sendo necessário considerar o espectrômetro como ponto final do sinal de luz adquirido, tanto quanto a ótica de coleta (um espelho parabólico) e os elementos intermediários. 0 brilho pode ser expresso em termos da largura da região que emite o sinal como: onde B é o brilho coletado da emissão, P é a potência coletada, Qc é o ângulo sólido da coleção e W _e é a largura da área que emite a luz (contornada com o campo de visão usado no caso de geração de imagens em uma região da amostra).

[80] Usando o teorema da conservação do brilho, na entrada do espectrômetro, tem-se:

Onde Qs é o ângulo sólido do feixe na entrada do espectrômetro e W _s é a largura do feixe de luz na direção dispersiva do espectrômetro.

[81] A quantidade W ² é chamada extensão geométrica (Etendue) de um sistema óptico e Gs é a extensão geométrica (Etendue) do espectrômetro, sendo estas quantidades relacionadas ao poder de captação de luz de um sistema ótico;

[82] A extensão geométrica (Etendue) é realmente mais significativa do ponto de vista da propagação / espectroscopia do que o Brilho, que é mais relevante quando se considera a fonte de emissão. A Figura 13 ilustra os ângulos sólidos e as larguras (áreas) da equação anterior. Além disso, na última equação mencionada anteriormente, é importante observar, além disso, que o brilho inicial coletado (dividido pela potência) precisa ser igual ou superior ao reciproco do espectrômetro extensão geométrica (Etendue) para evitar perda de energia.

[83] Em termos práticos, os espectrômetros óticos usam detectores paralelos, como detectores do tipo dispositivo de carga acoplada (CCD) baseados em silício, e o tamanho do pixel se torna um critério importante: juntamente com a função de espalhamento pontual do espectrômetro, definindo o tamanho da fenda menor abaixo do qual a resolução espectral não seria significativamente melhorada com o fechamento adicional das fendas.

[84] Ao chegar ao espectrômetro com a largura desejada, o feixe de luz pode ser disperso sem o uso das fendas que realmente reduziriam a potência que chega ao detector. Considerando um espectrômetro com abertura numérica de 0,121, ou seja, com ângulo sólido de 46 x 10 ³ sr, tem-se que:

G _s = í½¾¾r ² = 226 srmhi ²

[85] Agora, para a coleta, considerando uma região de emissão razoável de 7 pm e considerando o comprimento de difusão da portadora em semicondutores e o campo de visão na imagem STM, bem como uma eficiência de coleta de luz de 72% supracitada, o ângulo sólido será 4,52 sr e, portanto, tem-se:

G _s = Í = 221srbpi ²

Onde G _c é a extensão geométrica (Etendue) do espelho coletor.

[86] Isso significa que a extensão geométrica (Etendue) no início é menor que o do espectrômetro e, portanto, pode ser totalmente aceito pelo espectrômetro sem nenhuma perda, mesmo considerando a largura da emissão. Em outros termos, como a extensão ótica (o Etendue) do espectrômetro é mais alto, toda a luz coletada pelo espelho entra no espectrômetro.

[87] Observe que, se a largura da emissão for maior (ou o espelho estiver desalinhado, o que é equivalente), o brilho será reduzido de acordoe e extensão geométrica (Etendue) aumentará. Portanto, o alinhamento do espelho deve ser preciso até a faixa de micrômetros e apenas uma região de cerca de 5 pm pode ser explorada, considerando que o alinhamento do espelho não é perfeito.

[88] Para alcançar regiões maiores, ou seja, aumentar a região da qual é possível capturar a luz, o espelho pode ser escaneado (movido) junto com a ponta do STM. É claro que, reduzindo o ângulo sólido, é possível aumentar a área proporcionalmente mas isso implica em perda de eficiência.

[89] A ótica de propagação e acoplamento deve preservar a baixa extensão geométrica (Etendue) o máximo possível. 0 acoplamento entre o feixe de luz paralelo do espelho parabólico e a entrada do espectrômetro pode ser realizado pela ótica livre, usando espelhos e lentes, ou preferencialmente pelo uso de lentes e um conjunto de fibras óticas.

[90] 0 uso de fibras óticas elimina as complicações de ter o espectrômetro ligado mecanicamente ao espelho parabólico e permite uma conexão mais fácil e flexível a partir da lente e na entrada do espectrômetro.

[91] Deve-se notar, no entanto, que o brilho e a extensão geométrica (Etendue) é/são conservados apenas em espaço livre (e com elementos ópticos apropriados) e são perdidos ao usar fibras óticas. Portanto, a fibra ótica multimodo deve ser compatível com a extensão geométrica (Etendue) da luz coletada, de modo que a luz possa ser injetada no espectrômetro sem perda de sinal ou resolução espectral.

[92] Finalmente, três características relevantes da configuração do sistema ótico discutido devem ser observadas: 0 sistema contém apenas três elementos ópticos refrativos (a janela de safira, uma lente e a fibra ótica) e, portanto, a perda de reflexão da superfície é mantida pequena; a extensão geométrica (Etendue) inicial é o menor da cadeia de detecção, ou seja, basicamente toda a luz, exceto a perda de superfície, deve entrar no espectrômetro com quase sua resolução final; a coleta / transmissão total do sistema a 750 nm pode ser estimada em aproximadamente 29%, considerando desde a coleta dentro do STM até atingir o CCD do espectrômetro, mas sem considerar a eficiência de detecção do detector do espectrômetro, com uma resolução espectral melhor que 1 nm.

[93] Uma possível desvantagem do sistema ótico proposto e do seu posicionamento no STM é que o espelho fica perto da junção túnel e ele não está em equilíbrio térmico com a amostra e ponta. Isso causa aquecimentos locais e derivas de amostra, ponta, piezos, distorcendo as imagens de STM e até inviabilizando a aquisição de imagens com magnificações mais altas (resolução atómica).

[94] Desse modo, para sanar estes problemas o referido sistema compreende ainda meios para refrigerar o manipulador em Ultra Alto Vácuo, que atuam por meio de um reservatório que fornece um fluxo de hélio ou nitrogénio líquido, que é conectado através de uma malha de cobre até o espelho, permitindo assim o alcance de temperaturas bem baixas no sistema.

[95] Para que seja possível transportar N ₂ ou He líquido de um ambiente de pressão atmosférica para outro em Ultra alto vácuo (UHV), é necessário usar um conector passante (Figura 10) de uso adequado para fluidos criogênicos e com conectores de uso para ambiente UHV, como Swagelok, conforme pode ser verificado no protótipo inicial da Figura 10. Os conectores passantes são feitos preferencialmente de aço inoxidável.

[96] Com isso, o espelho poderá ser refrigerado através de uma malha de cobre que será conectada nos conectores passantes e no suporte do espelho (Figura 4). Assim o transporte de calor será realizado quase que totalmente por condução térmica. [97] Ressalta-se que o sistema busca alcançar temperaturas criogênicas, e, desse modo, surge o empecilho com o mecanismo piezoelétrico (dispositivo encarregado de movimentar o conjunto suporte e espelho), cujo correto funcionamento é em temperatura ambiente. Desse modo foram estudadas as propriedades dos materiais no ambiente UHV, para culminar numa escolha delicada de materiais e, após realizar a escolha dos materiais, foi criada uma série de soluções pensando em todas as possibilidades, como técnicas de usinagem, viabilidade, eficiência, etc.

[98] Por este motivo foi selecionado os parafusos e porcas de poli (éter-éter-cetona) (PEEK), conforme mencionado anteriormente, que são usados para desacoplar os componentes piezelétricos do sistema, pois possuem condutividade térmica (k) de 0.25 W.K ^_1 .m ^_1 , além de ser compatível com ultra alto vácuo (UHV).

[99] Como o espelho estará em um potencial de 5V, devido ao sistema detector de colisões que será ligado ao mesmo, é importante que este esteja isolado eletricamente e que ao mesmo tempo conduza termicamente. Desta forma, foi escolhido Nitreto de Alumínio (AIN), o qual será empregado ao sistema em forma de uma camada entre a superfície de contato da malha com os passantes, em razão de possuir k > 170 W.KC ¹ .rrr ¹ e condutividade elétrica menor que 10 ¹⁴ S.

[100] Para possibilitar o monitoramento da temperatura em cada estágio do sistema, foram selecionados sensores de temperatura, preferencialmente do tipo resistor de platina, os quais possuem grande compatibilidade com UHV e alta resistência mecânica. Estes sensores são instalados em ao menos um e preferencialmente quatro pontos estratégicos (espelho, suporte, translador piezoelétrico e malha de cobre) ou preferencialmente em três pontos: suporte do espelho, malha de cobre e posicionador piezoelétrico vertical.

[101] 0 meio preferencial para resfriamento do suporte do espelho compreende: uma entrada (11.1); um tubo interno 11.2); um tubo externo (11.3); um reservatório (11.4); uma malha de cobre (11.5) com conexão externa; cobre livre de oxigénio (11.6); uma vedação (11.7) e uma saída (11.8).

[102] 0 referido sistema conta ainda, com uma mesa ótica acessória, localizada fora do microscópio e fixa de forma solidária com a base do manipulador portando elementos óticos usuais que podem ser alinhados conforme necessidade. Ressalta- se que é possível fixar tal mesa ótica diretamente na câmara de ultra alto vácuo (3.7) utilizando os parafusos de fixação da janela (3.4).

[103] A mesa ótica é solidária a janela de safira indicada (3.4).

Testes de desempenho

[104] 0 referido sistema de detecção de luz foi instalado em conjunto com um STM para análise de seu desempenho. Para definir a amostra utilizada nos testes de desempenho, houve uma busca de materiais com alta eficiência quântica e que dispensam métodos de preparação sofisticados, inclusive pela ausência de técnicas de preparação no sistema da presente invenção. Foi utilizado, portanto, micro partículas de prata que estão presentes em adesivos condutores para sistemas de UHV. A amostra foi preparada utilizando-se um pincel e colocando-a diretamente sobre a porta amostra. Foram utilizadas tanto pontas de Pt/Ir (mecanicamente preparadas) como pontas de tungsténio (preparadas por corrosão eletroquímica) e em ambos os casos se observou emissão da amostra de prata por excitação plasmônica.

[105] Pontas feitas de Pt/Ir, Au ou Ag são conhecidas por terem frequências plasmônicas dentro do visível e por isso gerarem emissão de luz através de mecanismos plasmônicos em vários tipos de amostras. Ao contrário, pontas de W não têm frequências plasmônicas no visível e por isso a emissão de luz com tais pontas está menos sujeita a ser de origem plasmônica e em alguns casos pode ser 'excitônica', ou seja, está ligada a recombinação de portadores em semicondutores. Isso é muito importante pois para estudos de semicondutores sobretudo é a emissão excitônica que interessa e devem ser evitadas outras emissões.

[106] No estudo utilizando uma ponta de Pt/Ir, a emissão de luz foi medida com auxílio de uma câmara CCD acoplada a um espectrômetro em função da tensão entre a ponta e amostra. Os espectros de emissão de luz desta análise são reportados na Figura 6. Nesse caso, uma alta corrente, de ~-70nA, foi utilizada. Observa-se nos espectros basicamente o fenômeno chamado decorte quântico (quantum cut-off). De fato, para tensões ponta amostra muito baixas, entre -1,1 e -1,5 V, a emissão é muito baixa simplesmente por não haver energia para causar a emissão de fótons na frequência da cavidade ponta- amostra. Com o aumento da tensão até cerca de -2V é possível observar um pico bem formado e centrado em cerca de 1,7 eV.

[107] Ressalta-se que os resultados de desempenho são analisados com base em teorias estabelecidas para a formação de plasmons em junções metal-metal e, desse modo, essa interpretação deve ser considerada como uma das possibilidades.

[108] Foi feita ainda uma medida da eficiência da emissão de luz pela ponta de tungsténio novamente em uma superfície de prata. A eficiência (quantum yield) de emissão é importante pois permite avaliar o conjunto do sistema de coleção e oferece uma medida que pode ser diretamente comparada com outros sistemas de detecção de luz dentro do STM. A medida foi feita com uma tensão de 2.5 V e valores de corrente até 2 nA (a partir do qual houve muitas instabilidades e a medida se tornou impossível).

[109] Pela Figura 7 revela-se a relação entre a taxa de contagem (fótons por segundo) em função da corrente (elétrons por segundo). A eficiência que foi obtida é da ordem de 8xl0 ⁶ fótons por eléctron.

[110] Além das medidas de luminescência em STM relatadas até aqui, que trata-se de emissão devido a plásmons em todos os casos, foram feitas medidas com pontos quânticos de CdSe/ZnS. As medidas neste semicondutor foram uma medida de fotoluminescência realizada dentro do STM considerando-se todo o sistema da Figura 1. [111] Foram utilizados um laser e a lente, divisor de feixe, filtros, fibras, tal como indicado na Figura 1. Foi realizada assim uma medida de fotoluminescência utilizando o espelho parabólico do sistema de aqui proposto. Isso permitiu rapidamente localizar o local da amostra que continha as nanoparticulas de quantum dots (QDots). Na Figura 8 mostra-se uma imagem da mostra na qual uma camada aparentemente continua de QDots pode ser observada. Um perfil mostra que a altura entre a camada e o substrato é basicamente o valor nominal de diâmetro destes QDtos. 0 espectro de emissão obtido via fotoluminescência (PL) é mostrado também na Figura 8. A emissão está em acordo com o esperado para o tamanho dos QDtos e confirma que se trata bem da amostra.

[112] Na Figura 9 verifica-se ainda os dados de simulação que permitem avaliar que a coleta de luz do sistema é muito eficiente em pontos próximos ao foco, ou seja, percebeu-se que, à medida que a fonte é afastada do foco, localizado no centro da Figura (posição 0 e 0), a eficiência do sistema diminui rapidamente.

[113] Os versados na arte valorizarão os conhecimentos aqui apresentados e poderão reproduzir a invenção nas modalidades apresentadas e em outras variantes, abrangidas no escopo das reivindicações anexas.