Laboratório Nacional
de Luz Síncrotron

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Sabiá

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Sabiá (Mimosa caesalpinaefolia) é uma árvore encontrada nativamente na Região Nordeste e parte da Região Norte do Brasil, cultivada pela durabilidade de sua madeira. Sabiá também é o nome popular de diversas espécies de pássaros brasileiros do gênero Turdus, presente no mundo todo. (Foto: Claudio Oliveira Lima )

Sabiá (Soft X-Ray ABsorption Spectroscopy and ImAging) será uma linha de luz que trabalhará na faixa de raios X moles utilizando onduladores com controle de polarização e monocromador de grades planas. As principais análises possíveis nesta linha serão especroscopia de fotoemissão e absorção de raios-X. Em particular será possível obter espectros de fotoemissão com resolução angular (ARPES, angular resolved photoemission spectroscopy) que é uma das mais poderosas técnicas experimentais para investigação da estrutura eletrônica de materiais.

 

Além disso diversas variações de dicroísmo em absorção de raios X permitirão a investigação de propriedades estruturais e magnéticas com seletividade química. Esse aspecto se beneficiará da faixa de energia dos fótons, que corresponde às bordas L de absorção de metais de transição 3d, como manganês, ferro, cobalto, às bordas K de absorção de elementos leves como carbono, nitrogênio e oxigênio, e às bordas M4 e M5 das terras raras. Finalmente, a linha SABIÁ contará também com um microscopio de emissão de fotoelétrons, que propicia a medida de absorção, incluindo suas variantes de dicroísmo, com resolução espacial sub micrométrica.

 

Na linha Sabiá será privilegiado um fluxo de fótons mais alto, em detrimento de uma resolução de energia não tão grande quanto à da linha Ipê. Para isso, o projeto ótico visará um número reduzido de espelhos planos e plano-elípticos e grades mais otimizadas para alta eficiência.

 

Uma particularidade da linha SABIÁ será a disponibilidade de um sistema muito versátil de preparação e pré-caracterização de amostras in-situ, possibilitando aos seus usuários o crescimento de filmes finos por técnicas variadas, e transferência sob condições de ultra-alto-vácuo para as câmaras de análise com raios X

 

LAYOUT


ELEMENTOS ÓTICOS

ElementoTipoPosição[m]Descrição
FONTEDispositivo de Inserção0,0Ondulador Helicoidal (EPU) com possibilidade de controle da polarização do feixe de raios X (linear ou circular).
M1Espelho Plano27,5Absorvedor da carga térmica principal proveniente do anel.
M2Espelho Plano28,0Parte da óptica do Monocromador.
VLSPGGrade de Difração28,5Elemento principal do monocromador. Grade plana com densidade de linha variável.
M3, M4, M5Espelhos ToroidaisVariávelCom função de refocalização do feixe nos diversos instrumentos.

PARÂMETROS

ParâmetroValorObs. | Condição
Faixa de energia [eV]100 - 2500
Resolução de energia [$ \Delta$E/E]$ 10^{-4}$
Varredura de EnergiaSim
Tamanho do Feixe [$ \mu \rm m^{2}$]15 x 15ARPES
Tamanho do Feixe [$ \mu \rm m^{2}$]20 x 20Magneto
Tamanho do Feixe [$ \mu \rm m^{2}$]Variável, até 1 x 1PEEM

Técnicas Experimentais

 

Dicroísmo Linear Natural ou Magnético (XLD, XMLD)

 

Variações na estrutura cristalina dos materiais fazem com que a absorção de raios X seja diferente dependendo da orientação entre o campo elétrico do feixe de raios X e os eixos cristalinos da amostra. Esse efeito é conhecido como dicroísmo linear natural (XLD, X-ray linear dichroism) e é uma poderosa fonte de informação sobre variações na estrutura das interfaces e superfícies de filmes finos e multicamadas. Além disso, a absorção da radiação linearmente polarizada pode variar com a magnetização da amostra. Nesse caso estamos tratando de dicroísmo linear magnético (XLMD, X-ray linear magnetic dichroism) e  temos informação magnética com sensibilidade química.

 

Dicroísmo Circular Magnético (XMCD)

 

Materiais que apresentam um momento magnético não nulo absorvem de forma diferente as duas possíveis helicidades de raios X circularmente polarizados (polarizações circulares à esquerda e direita). Essa diferença é chamada de dicroísmo circular, e quando realizada na borda de absorção os componentes da amostra permite obter as contribuições magnéticas de cada elemento químico de forma independente. Além disso, em muitos casos é possível determinar os componentes de spin e orbital do magnetismo. O sinal de dicroísmo em geral é máximo no pico da borda e absorção de cada elemento. Mantendo a energia fixa nesse ponto do espectro e variando o campo magnético aplicado, é possível obter curvas de histerese magnética para cada elemento na composição da amostra. Esse aspecto é particularmente importante na caracterização de novos imãs permanentes.

 

Espectroscopia de fotoemissão com resolução angular (ARPES)

 

O analisador de elétrons que equipa a linha SABIÁ permite não apenas determinar a energia cinética dos fotoelétrons, mas também seu ângulo de saída da amostra. De posse desse ângulo e da energia cinética, é possível determinar o momento linear do fotoelétron emitido. Aplicando o princípio da conservação de momento, é possível então inferir o momento do elétron no cristal (antes de ser emitido) e assim construir a curva de dispersão de energia em função do momento angular.Essa é uma das informações mais importantes sobre a estrutura eletrônica de materiais.

 

Microscopia de emissão de fotoelétrons

 

A matéria ao interagir com o feixe de raios X emite elétrons. Esse efeito é particularmente importante na região de raios X moles. Utilizando uma coluna similar à de um microscópio eletrônico de transmissão, é possível se obter imagens baseadas nos elétrons emitidos no processo de absorção. Esse é o princípio básico do PEEM (photoelectron emission microscopy), que permite obter informações espectroscópicas com resolução espacial de até poucas dezenas de nanômetros. Além disso, os métodos de XMLD e XMCD continuam válidos, e utilizando de forma adequada a polarização do feixe de raios X, é possível obter informação magnética com tal resolução espacial. Essa possibilidade é particularmente interessante no estudo de paredes de domínio e sua dinâmica. Além disso, dada a sensibilidade química inerente à absorção de raios X, a técnica é de grande potencial em geociências, estudos ambientais, entre outros, onde é importante localizar as concentrações espaciais dos diversos elementos químicos da amostra.

 

Crescimento de filmes finos in-situ

 

Na linha SABIÁ o feixe de raios X poderá ser utilizado em dois braços. No primeiro, teremos o magneto supercondutor para medidas de absorção de raios-X, seguido do espectrômetro de fotoelétrons para medidas de ARPES. Esses dois instrumentos serão conectados a um sistema de ultra-alto-vácuo (túnel de vácuo) que permitirá a fabricação e transferência das amostras sem exposição ao ar. O segundo braço da linha será dedicado ao microscópio de emissão de fotoelétrons.

Para preparação de amostras in-situ, a comunidade de usuários da linha SABIÁ poderá contar com um sistema de deposição por evaporação térmica (MBE, molecular beam epitaxy), uma câmara de deposição por ablação laser (PLD, pulsed laser deposition) e uma câmara para deposição de moléculas orgânicas. Todos esses sistemas são integrados em um túnel de ultra-alto-vácuo, onde o usuários pode encontrar também um microscópio de varredura de ponta (que funciona tanto no modo AFM, atomic force microscopy, quando STM, scanning tunneling microscopy), para verificar a qualidade morfológica dos filmes ali crescidos.