Todos os conceitos experimentais apresentados até agora baseiam-se no campo distante da luz e na fotoluminescência da amostra estudada. A microscopia óptica de campo próximo segue um princípio diferente, no qual informação espacial com alta resolução (< 20 nm) é conseguida através da interação entre uma ponta de prova e o campo eletromagnético da amostra. A curta distância entre a ponta de prova e a amostra evita a perda das freqüências espaciais (kx,ky)
Figura 1.7: Imagens de um campo de contas fluorescentes de 50 nm de diâmetro obtidas com (a) microscopia convencional, (b) microscopia convencional após a aplicação de um filtro
linear, (c) microscopia SIM e (d) microscopia SSIM [13].
difração de Abbe. A ideia da técnica é ampliar a largura de banda das freqüências espaciais e, dessa forma, reter as altas freqüências associadas às ondas evanescentes. A microscopia de campo próximo permite a obtenção simultânea de imagens ópticas e topográficas da região medida, sendo esta uma das grandes vantagens dessa ferramenta.
Na Figura 1.8a, observamos uma ilustração de um microscópio óptico convencional com duas lentes. Neste tipo de aparato experimental, a largura de banda das freqüências espaciais está limitada a kk < k, impondo um limite à resolução máxima alcançável. Em geral, para conseguirmos alta resolução espacial, devemos ter um alto confinamento espacial da luz no plano objeto. Como será visto na discussão sobre função de espalhamento de ponto (subseção 2.2.4), esse confinamento espacial pode ser entendido como o produto do confinamento de excitação pelo confinamento de detecção. Para alcançarmos superresoluções, devemos incluir um espectro de altas freqüências espaciais que normalmente são descartadas na microscopia comum. O problema é que na microscopia de campo distante há um limite superior para o espectro de freqüências espaciais que inclui apenas ondas planas com kk< k (k = n2π/λ , kk= q
k2 x+ k2y).
Para estender o espectro de freqüências, devemos incluir as ondas evanescentes com kk≥ k, porém, com o esquema da microscopia confocal observado na Figura 1.8a, isto não é possível pois essas ondas decaem muito rapidamente. Assim, uma solução é trocar a lente da esquerda por um objeto (um metal com uma pequena abertura ou uma ponta metálica, por exemplo) que carregue consigo essas ondas evanescentes e aproximá-lo da amostra (Figura 1.8b), aumentando a largura da banda espectral. Esse objeto atuará como uma fonte luminosa altamente localizada, iluminando intensamente uma porção da amostra menor do que o limite de difração. No entanto,
Figura 1.8: (a) Microscopia confocal com uma lente usada para excitação e outra usada para convergir a luz para o detector. (b) A primeira lente de (a) foi substituída por um objeto que
transportasse as ondas evanescentes até bem próximo da amostra [16].
como as ondas evanescentes estão limitadas à proximidade com o objeto e este não pode ser inserido dentro da amostra, os experimentos limitam-se à superfície do material investigado.
As abordagens experimentais mais comuns da microscopia de campo próximo baseiam- se em dois tipos de pontas metálicas: pontas com uma pequena abertura na sua extremidade (Figura 1.9a) e pontas sem abertura (Figura 1.9b). No primeiro caso, as aberturas possuem diâmetros normalmente entre 50 e 100 nm, enquanto que no segundo caso o diâmetro da extre- midade das pontas pode ser bem menor, com valores entre 10 e 20 nm. Devido à dificuldade de transmissão da luz nas pontas de abertura, orifícios com diâmetros menores que 50 nm tornam-se inviáveis experimentalmente. As resoluções dos experimentos de SNOM são deter- minadas pelos diâmetros da abertura e da extremidade da ponta. Nota-se, então, que resoluções mais elevadas podem ser alcançadas com o uso de pontas sem abertura, definindo a chamada microscopia óptica de campo próximo intensificada por ponta (TENOM, tip-enhanced near- field optica microscopy). Na microscopia TENOM, as pontas funcionam como antenas ópticas. Uma segunda vantagem da microscopia TENOM é a possibilidade de se enviar a luz para um espectrômetro, obtendo assim o espectro Raman ou de fluorescência. No caso de pontas com abertura, o redirecionamento da luz espalhada para um monocromador não permite a aquisi- ção de espectros Raman com intensidades satisfatórias devido à grande perda de intensidade luminosa ao se atravessar um orifício com dimensões nanométricas.
A seguir, apresentaremos alguns exemplos para ilustrar as possibilidades e perspectivas da microscopia TENOM. O primeiro destes exemplos mostra um trabalho desenvolvido por Höppener e Novotny [17] para estudar proteínas transportadoras PMCA4 individuais com reso-
Figura 1.9: (a) Ponta de prova de SNOM com uma abertura de aproximadamente 100 nm. (b) Ponta de prova de SNOM sem abertura.
luções da ordem de 50 nm. As proteínas investigadas neste artigo encontravam-se em soluções aquosas e o sucesso desta publicação, em 2008, demonstrou a aplicabilidade da microscopia TENOM para a obtenção de imagens em soluções aquosas. A Figura 1.10a mostra imagens confocais de membranas eritrócitas individuais que contêm as proteínas PMCA4. A Figura 1.10b é uma ampliação da área indicada em (a) e notamos que, devido à alta densidade de proteínas, elas não puderam ser identificadas individualmente através de microscopia confocal. A Figura 1.10c mostra imagens de TEF na região (b) e nesta figura é possível identificar os transportadores PMCA4 individualmente. Neste trabalho, a microscopia de campo próximo baseada em antenas ópticas em meios aquosos abriu novas perspectivas para a espectroscopia de molécula individuais.
Figura 1.10: (a) Imagem confocal de membranas eritrócitas individuais que contêm as proteínas PMCA4. (b) Ampliação da região (a). (c) Imagem de TEF na região (b) [17].
A espectroscopia Raman intensificada por ponta (TERS, tip-enhanced Raman spectros- copy) também pode ser usada com sucesso para estudar nanotubos de carbono [18–20], como é ilustrado na Figura 1.11. Os contrastes das Figuras 1.11a foi obtido integrando a área sob a banda G do nanotubo de carbono e a Figura 1.11b é a topografia do nanotubo. As duas imagens da Figura 1.11 foram obtidas simultaneamente, permitindo uma correlação direta entre a topo- grafia e as propriedades ópticas. A resolução alcançada nessas imagens é consideravelmente alta, em torno de 15 nm. As altas resoluções alcançadas em TERS são particularmente inte- ressantes para investigar defeitos em nanotubos de carbono. Maciel e seus colaboradores [22]
Figura 1.11: (a) Imagem espectroscópica Raman da banda G de um SWNT e (b) sua respectiva topografia [21].
mapearam espacialmente, com resolução ∼ 30 nm, o pico de fotoluminescência com centro em λ = 900 nm, a banda G e a banda D de um SWNT, como é observado nas Figuras 1.12(a-c), respectivamente. A topografia correspondente é mostrada na Figura 1.12d. A partir da Figura 1.12b, notamos que a banda G está presente em todo o comprimento do nanotubo, porém o mesmo não ocorre para a banda D. A intensidade desta banda aumenta na mesma região es- pacial onde há emissão devido ao desaparecimento um éxciton (círculo nas Figuras 1.12(a,c)). A correlação entre as imagens (a) e (c) está ligada ao fato de que defeitos podem agir como estados armadilha para a recombinação elétron-buraco.
Figura 1.12: Mapeamento espacial (a) pico de fotoluminescência com centro em λ = 900 nm, (b) da banda G e (c) da banda D de um SWNT. (d) Topografia simultaneamente medida [22].
A espectroscopia Raman intensificada por ponta (TERS, tip-enhanced Raman spectros- copy) será uma das principais ferramentas experimentais usadas nesta tese para estudar defeitos em nanotubos de carbono e, por esse motivo, discutiremos detalhadamento seus aspectos teóri- cos e experimentais no capítulo 4.