A espectroscopia Raman, uma técnica de microscopia óptica, é uma técnica de análise química não destrutiva que fornece informações ricas em impressões digitais moleculares sobre estrutura química, fase, cristalinidade e interações moleculares. A técnica baseia-se na interação da luz com ligações químicas dentro de um material. No entanto, como a luz é uma onda, os microscópios ópticos são incapazes de resolver distâncias inferiores a metade do comprimento de onda da luz incidente na amostra. Isso é conhecido como o "limite de difração", que impede que a espectroscopia Raman e outras técnicas de microscopia óptica alcancem resoluções em nanoescala.
Para melhorar a resolução espacial, foi inventada outra técnica chamada "espectroscopia Raman aprimorada pela ponta" (TERS), que pode atingir resoluções espaciais abaixo do limite de difração. No TERS, uma ponta metálica nanométrica confina a luz dentro de um volume nanométrico logo acima da amostra. A luz interage com as moléculas da amostra na superfície e a imagem é realizada analisando a luz espalhada.

O TERS tem sido usado com sucesso para analisar composições químicas e defeitos de superfície em amostras em resoluções de nanoescala. No entanto, durante a geração de imagens, a nanoponta tende a se deslocar devido a flutuações térmicas e vibracionais inevitáveis ​​em condições ambientais, fazendo com que a amostra fique fora de foco ou desalinhamento entre a nanoponta e o ponto focal, ou ambos. Isso causa distorções consideráveis ​​nos sinais dispersos. Para evitar isso, a geração de imagens TERS precisa ser concluída em uma janela de tempo de 30 minutos, uma restrição que impede a geração de imagens de qualquer amostra maior que 1 µm ² com resolução em nanoescala.

Em um novo estudo publicado em Science Advances , uma equipe de pesquisa do Japão, liderada pelo Dr. Ryo Kato, um professor assistente designado no Instituto de Fotônica Pós-LED da Universidade de Tokushima, e o Professor Associado Takayuki Umakoshi e o Professor Prabhat Verma da Universidade de Osaka, desenvolveram, pela primeira vez, tempo, um sistema TERS estável que não se limita a uma janela de tempo de imagem curta. A equipe demonstrou sua capacidade ao criar imagens com sucesso de defeitos em nanoescala durante um período de 6 horas em um dissulfeto de tungstênio bidimensional (2D) de tamanho micrométrico (WS₂ ) filme—um material comumente usado em dispositivos optoeletrônicos. "Nosso novo sistema de nanoimagem óptica permite a caracterização da análise de defeitos em WS de grande porte₂ camadas em uma alta resolução de pixel até 10 nm sem nenhuma perda significativa de sinal óptico", diz Dr. Kato.

Para compensar os desvios durante longos períodos, a equipe desenvolveu um sistema de feedback que rastreia o deslocamento da fonte de luz focada e reajusta a posição do plano de foco de acordo. A posição focal da fonte de luz é rastreada medindo o deslocamento de um feixe guia de laser refletido direcionado ao microscópio. O foco é então estabilizado com um scanner objetivo controlado por piezo sempre que o sistema detecta um desvio ou uma mudança na posição focal da fonte de luz.

Para estabilizar a nanoponta, a equipe projetou um sistema de compensação de desvio de ponta assistido por varredura a laser. Nesse caso, os galvano-scanners tiram imagens do ponto de laser ao redor da nanoponta metálica assim que ela se aproxima da superfície da amostra. Esta imagem aparece como um ponto brilhante e indica a posição da nanoponta. Uma vez realizada a medição em um determinado pixel, a imagem do ponto de laser ao redor da nanoponta é capturada novamente. O ponto do laser é então movido para corresponder à nova posição da nanoponta nesta imagem. O processo continua durante todo o processo de imagem, garantindo que a nanoponta permaneça em uma posição constante.

Ao implementar essas correções, a equipe conseguiu criar uma imagem 2D do WS₂ (veja a imagem acima) com uma área de digitalização de 1 × 4 µm ² . Com uma janela de tempo de imagem 12 vezes maior do que a da imagem convencional, eles podem detectar defeitos únicos perdidos na imagem TER convencional. Eles também mostraram que a densidade de defeitos em um WS₂ maior amostra (comparável às balanças do aparelho) foi maior do que a relatada para amostras menores.

O estudo pode abrir portas para imagens precisas e de alta resolução não apenas de dispositivos optoeletrônicos, mas também de amostras biológicas. "Nossa nova microscopia TERS compensada por desvio poderia não apenas avaliar melhor as propriedades da superfície dos materiais do dispositivo, mas também nos permitir estudar processos biológicos, como o mecanismo subjacente ao desenvolvimento de doenças. Isso, por sua vez, poderia ajudar a desenvolver novos métodos e terapias clínicas, " diz o Dr. Umakoshi. + Explorar mais

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