Nanoestruturas brilham com feixes de elétrons

Ponha um pedaço de quartzo sob um microscópio eletrônico e ele brilhará com um azul gelado.

© Elizabeth M. King (catodoluminescência do clinopiroxênio)

Esse fenômeno, descoberto nos anos 1960, é chamado de catodoluminescência, deu a geólogos uma maneira fácil de identificar quartzo e outros minerais em amostras de rocha. Mas a luz, emitida após um feixe de elétrons induzir elétrons do material  observado a um estado de energia mais alta, é tênue e difuso, o que desencorajou outros cientistas a usá-lo para aproveitar suas imagens de fina-escala. 
Agora um grupo holandês descobriu uma maneira de coletar e concentrar um tipo particularmente tênue e localizado de catodoluminescência que tinha sido ignorado anteriormente, transformando o brilho em uma sonda precisa da estrutura de um material em nanoescala. Os pesquisadores esperam que a tecnologia chegue ao mercado ainda neste ano, dando aos cientistas de materiais uma nova ferramenta para investigar o comportamento da luz no interior das complexas nanoestruturas usadas em lasers, circuitos baseados em luz e células solares.
“Nós construímos um sistema catodoluminescente que é único no mundo”, declara Albert Polman, físico do Instituto FOM de Física Atômica e Molecular (AMOLF), em Amsterdã.
A técnica combina as vantagens de imageamentos óticos e eletrônicos. Um feixe de elétrons pode, em princípio, alcançar uma resolução de menos de um nanômetro, se comparado com as centenas de nanômetros de um feixe de luz. Mas mapas feitos por elétrons espalhados ou refletidos não são tipicamente sensíveis à maneira como a luz se comporta no interior de uma amostra.
A catodoluminescência, em contraste, pode mapear a interação entre a luz e matéria – mas, por ser disparada por um estreito feixe de elétrons, ela promete a mesma resolução em escala nanométrica que esses sistemas conseguem alcançar.
“Isso abriu a porta para compreendermos como a luz se acopla à matéria de maneira mais fundamental”, explica Harry Atwater, físico do Instituto de Tecnologia da Califórnia, em Pasadena, que fez trabalhos sobre catodoluminescência com Polman no passado, mas não se envolveu no trabalho com a última técnica.
A chave do sistema é o alinhamento ultrapreciso da amostra. O dispositivo inclui um espelho parabólico cuidadosamente moldado que coleta fótons enquanto eles emergem de uma amostra bombardeada com elétrons. Isso os envia por um sistema de lentes e um espectrômetro para determinar a origem e energia da luz. O dispositivo é sensível o bastante para registrar um sinal vindo até mesmo de materiais que quase não são luminescentes, como metais. Assim como nas antigas televisões de tubo de raio catódico, o feixe de elétrons varre a amostra para construir uma imagem linha por linha.
O grupo holandês, junto com colaboradores dos Estados Unidos e da Espanha, já usou a técnica para descobrir como certas nanoestruturas interagem com a luz. Em um artigo recente estudando uma estrutura em camadas de prata, vidro e silício, eles mostram que a velocidade de fase da luz visível, a velocidade à qual os picos e vales da onda viajam através do material, é tão rápida que está, na prática, viajando em um vácuo, a explicação para o índice refrativo geral do material ser zero (E. J. R. Vesseur et al. Phys. Rev. Lett. 110, 013902; 2013).
O efeito já tinha sido previsto para essas estruturas em camadas, chamadas de metamateriais, mas observá-lo requeria um mapa da emissão de luz com uma resolução maior que a que podia ser produzida por técnicas anteriores. A equipe também mapeou a distribuição de luz em nanodiscos de silício que são usados como cobertura em células solares para melhorar sua eficiência, e nas cavidades ultrapequenas de cristais fotônicos, componentes de lasers baseados em chip e diodos emissores de luz (LEDs).
O físico óptico Lukas Novotny do Instituto Federal de Tecnologia Suíço, em Zurique, aponta que a catodoluminescência poderia ser útil para melhorar o desempenho de dispositivos emissores de luz e células solares porque os mapas de emissão de luz criados com a técnicas refletem a densidade local de estados eletromagnéticos, uma quantidade que determina o quanto a luz se acopla à matéria, e vice-versa. “Essa informação é a chave”, observa ele.
A empresa start-up Delmic, com sede em Delft, na Holanda, licenciou a técnica de catodoluminescência do AMOLF, e Polman acredita que a companhia em breve venderá os dispositivos para pesquisadores de materiais em universidades por valores entre US$100 e US$200 mil dólares; em seguida ela pode se voltar para as indústrias de laser, semicondutores e de células solares. Ele também percebe que, ao vender o sistema, pode estar criando competidores para sua própria pesquisa. Mas ele diz que isso será mais do que compensado pela criação de uma comunidade de cientistas que usando a catodoluminescência fora das fileiras dos geólogos.

Fonte: Nature