Nova estação de espectroscopia por fotoelétrons é usada na análise da estrutura eletrônica dos materiais
Estação experimental de ARPES instalada na linha de luz PGM, de espectroscopia de UV e raios X moles
O Laboratório Nacional de Luz Síncrotron recentemente tornou disponível para os seus usuários um novo conjunto de instrumentos para espectroscopia por fotoelétrons, que será particularmente interessante para a investigação da estrutura eletrônica de diversos tipos de materiais.
O novo instrumental já está sendo usado por pesquisadores no atual síncrotron brasileiro UVX, integrado à linha de luz PGM (estação experimental para espectroscopia de UV e raios X “moles”). No futuro, ele será transferido para a fonte de luz Sirius, assim que sua infraestrutura estiver pronta. O projeto conta com financiamento do novo acelerador, bem como da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP).
A nova estação, adaptada para o estudo da física de superfícies, é composta por um analisador de elétrons apropriado para experimentos de fotoemissão com resolução angular (ARPES) e por um sistema bastante versátil de crescimento e caracterização de amostras in-situ. De acordo com Júlio Criginski Cezar, pesquisador e coordenador da linha PGM, esses instrumentos acoplados a uma fonte de luz síncrotron compõem um conjunto experimental único no mundo.
Segundo Júlio, um dos principais objetivos da estação experimental montada no LNLS é favorecer o “crescimento de camadas”, técnica baseada na deposição de materiais sobre um substrato na forma de filmes finos, geralmente por evaporação. A técnica é muito usada para o desenvolvimento de novas tecnologias e produtos que empregam microeletrônica, materiais de radiofrequência, elementos ópticos, revestimentos e camadas protetoras para peças mecânicas, entre outros.
O desenvolvimento de filmes finos cada vez mais complexos abre novas possibilidades para o controle e a modificação das propriedades dos materiais. “Filmes baseados em heteroestruturas, por exemplo, são compostos por camadas finíssimas de materiais com estruturas distintas, e isso permite que as propriedades dessas heteroestruturas sejam melhores – ou, no mínimo, diferentes – do que as propriedades individuais do material-base”, explica o pesquisador.
Equipamentos
A estação de ARPES é composta por um analisador modelo Phoibos 150-CCD da marca SPECS, acoplado a um manipulador de alta precisão com seis graus de liberdade, que permite medições entre 12 e 400 K.
Junto ao analisador, foi instalado um sistema de crescimento e pré-caracterização de amostras in-situ, composto por uma câmara de crescimento por epitaxia de feixe molecular (MBE, Molecular Beam Epitaxy), que permite a realização de difração LEED (Low Energy Electron Diffraction) e RHEED (Reflectivity High Energy Electron Diffraction).
Faz parte do sistema também um microscópio de varredura, que permite aquisições simultâneas nos modos STM (Scanning Tunneling Microscopy) e AFM (Atomic Force Microscopy), e uma câmara de crescimento por ablação a laser (PLD, de Pulsed Laser Deposition), que está em fase de comissionamento.
Todos esses instrumentos são interligados, entre si e com a estação de ARPES, por meio de um sistema de transferência de amostras em ultra-alto vácuo.
Está disponível pela primeira vez na estação, ainda, um microscópio de emissão de fotoelétrons (PEEM, de Photoemission electron microscope), que permite obter informação espectroscópica com resolução espacial submicrométrica.
Espectroscopia de UV e raios X “moles”
A espectroscopia dos elétrons mais “ativos” nos materiais, feita por meio da interação de radiação ultravioleta e raios X moles com esses elétrons, é a ferramenta experimental mais importante na pesquisa da física da matéria condensada, área de origem dos princípios que regem o funcionamento dos dispositivos eletrônicos modernos.
Análises como essas permitem compreender certas propriedades intrínsecas dos elétrons nos materiais que podem levá-los a transportar correntes elétricas de forma, às vezes, surpreendente. É o caso dos supercondutores, capazes de transportar correntes elétricas sem resistência, ou mesmo dos grafenos, que poderão ser usados em circuitos integrados com frequências quase cem vezes maiores do que a tecnologia atual, baseada em silício.
