Medidas do espectro de fluorescˆencia - Estudo sistemático do processo de adsorção induzida por

entre átomos no estado excitado, esperávamos obter uma dependência quadrática da taxa de crescimento do filme em fun¸cão da densidade, o que não é verificado pelas medidas da taxa de crescimento do filme em fun¸cão da densidade, para as quais obtemos uma dependência linear. Nas próximas se¸cões, apresentamos resultados que eliminam a possibilidade desses processos de colisões como o mecanismo principal do processo de adsor¸cão induzida.

5.3 Medidas do espectro de fluorescˆencia

Na se¸cão 5.2, sondamos o crescimento do filme realizando várias medidas da taxa de crescimento do filme em fun¸cão de uma série de parâmetros. Medimos a taxa de crescimento do filme em fun¸cão da intensidade do laser de bombeio e da densidade do vapor atômico, obtendo que a taxa de crescimento do filme varia com o cubo da intensidade do laser de bombeio, no regime de não satura¸cão do vapor atômico, e varia linearmente com a densidade apresentando um limiar na densidade do vapor atômico. Medimos também como a taxa de crescimento varia em fun¸cão da dessintoniza¸cão do laser em torno da linha D2 do césio.

Verificamos que as curvas da taxa de crescimento em fun¸cão da dessintoniza¸cão do laser de bombeio são semelhantes às curvas de fluorescência emitida pelo vapor excitado pelo laser ressonante.

As curvas de fluorescência, como discutimos brevemente na se¸cão anterior, resultam do decaimento de átomos que populam uma grande quantidade de n´ıveis atômicos do césio. Esses n´ıveis são populados via processos de colisões entre átomos no estado excitado. A análise do espectro de emissão permite então identificar quais desses n´ıveis são populados, permitindo analisar como a popula¸cão desses n´ıveis variam em fun¸cão de parâmetros do laser de bombeio, como intensidade e frequência.

Nessa se¸cão, caracterizamos a fluorecência emitida pelo vapor atômico dentro das condi- ¸cões em que induzimos o crescimento do filme de césio. Medimos o espectro da fluorescência emitida, Figura5.12, com o objetivo de identificar quais n´ıveis do vapor atômico são populados pelos processos de colisões. Também, medimos como a amplitude de cada pico observado no espectro de fluorescência varia em fun¸cão da intensidade do laser de bombeio, com o objetivo de identificar a dependência com a intensidade e como a fluorescência emitida varia

5.3. Medidas do espectro de fluorescˆencia 92

quando o laser ´e sintonizado em torno da linha D2 do c´esio. Essas medidas foram feitas para

diferentes intensidades do laser de bombeio e densidades do vapor atˆomico.

l (nm)

Amplitude(unid.arb.)

340 425 510 595 680 765 850 935 1020 0 3 6 9 510 530 852 ₈₇₅ 890 ₉₁₃ 455 352 ₄₁₆ 437 369 459 760 790 1002 1012

Figura 5.12– Espectro da fluorescência emitida pelo vapor excitado por um laser sintonizado na linha D2 do césio. A linha pontilhada marca a posi¸cão em que o laser de bombeio é sinto-

nizado. Esse espectro foi medido na célula com janela de safira mantida a 215 ◦C, densidade do vapor atˆ_{omico 12, 2 × 10}14cm−3 _{e o laser é sintonizado −750 MHz em rela¸cão ao máximo} de uma absor¸cão linear da linha D2 (medida em uma célula auxiliar à temperatura ambiente).

Próximo de cada pico, está o seu comprimento de onda, em nanômetros.

As medidas são realizadas usando-se o aparato experimental descrito na se¸cão4.3. Empre- gando-se uma lente de 6, 0 cm de comprimento focal, coletamos a fluorecência retro-espalhada e com um monocromador resolvemos o espectro de fluorescência. Como estamos interessados apenas no espectro de fluorescência, as medidas são realizadas rapidamente em um ou dois minutos, para não haver tempo de forma¸cão de um filme na interface dielétrico-vapor.

Na Figura 5.12, apresentamos um t´ıpico espectro de fluorescˆencia, obtido usando uma c´elula com janelas de safira a 215 ◦

C e densidade do vapor atˆomico 12, 2 × 1014 _cm−3_{. A}

potência do laser de 6, 0 mW com o diâmetro do feixe de aproximadamente 2, 0 mm e dessintoniza¸cão de −750 MHz em rela¸cão a linha D2 do césio garantem o regime de não

satura¸cão do vapor atômico. Podemos observar vários picos. A linha traceja vertical marca a posi¸cão em que o laser de bombeio é sintonizado. No espectro, identificamos o comprimento de onda de emissão de cada pico. E na Tabela 5.1, identificamos os comprimentos de onda emitidos e as correspondentes transi¸cões atômicas ocupados devido à colisão entre átomos

5.3. Medidas do espectro de fluorescência 93 λ (nm) Transi¸cão atômica 352 10P(1/2 ou 3/2) → 6S1/2 369 9P(1/2 ou 3/2) → 6S1/2 455 7P3/2 → 6S1/2 459 7P3/2 → 6S1/2 760 8S1/2 → 6P1/2 790 8S1/2 → 6P1/2 852 6P3/2 → 6S1/2 875 6D3/2 → 6P1/2 890 6P1/2 → 6S1/2 1002 4F(5/2 ou 7/2) → 5D3/2 1012 4F(5/2 ou 7/2) → 5D5/2

Tabela 5.1 – Comprimento de onda dos picos do espectro de fluorescência e respectivas transi¸cões atômicas.

no estado excitado. A ocupa¸cão desses n´ıveis é poss´ıvel devido a um processo conhecido na literatura como “energy pooling” (Jabbour et al. 1996), que é a transferência de energia do estado translacional do átomo excitado para o estado eletrônico durante as colisões. Assim, da colisão entre dois átomos é poss´ıvel transferir um deles para um estado com o dobro da energia, mais ou menos a energia translacional transferida para o estado eletrônico.

Quando realizamos a experiência de crescimento de filme metálico, os processos de colisões dão origem a uma grande quantidade de átomos em estados excitados formados próximos da superf´ıcie. Quanto maior o número quântico principal, maior é a intera¸cão do átomo com a superf´ıcie, sendo então essa uma das razões, para explorar o espectro de fluorescência, com a finalidade de identificar algum rela¸cão desses n´ıveis ocupados por colisão, com a forma¸cão do filme. Para isto, medimos como cada pico do espectro de fluorescência varia em fun¸cão da potência do laser de bombeio, com o intuito de comparar essas medidas da fluorescência com as medidas da taxa de crescimento do filme em fun¸cão da intensidade do laser de bombeio. Na Figura 5.13, apresentamos quatro gráficos de como os picos do espectro de fluorescência variam em fun¸cão da potência do laser de bombeio. Esses resultados foram obtidos para uma dessintoniza¸cão de −750 MHz em rela¸cão à linha D2, TS = 215◦C e a

5.3. Medidas do espectro de fluorescˆencia 94

n = 12, 2×1014_cm−3_{. O diˆametro do feixe do laser de bombeio ´e mantido constante ≈ 2 mm}

e para variar a intensidade variamos apenas a potˆencia do laser.

Figura 5.13– Espectros da fluorescência emitida em fun¸cão da potência do laser de bombeio em várias regiões espectrais. Os números em vermelho acima dos picos são os comprimentos de onda em nanômetros dos picos.

Para analisar os resultados em questão, fizemos um gráfico da varia¸cão do máximo de cada pico em fun¸cão da potência do laser de bombeio. Na Figura 5.14, apresentamos quatro gráficos nos quais mostramos como o máximo dos quatro primeiros picos observados no espectro de fluorescência, Figura 5.12, variam em fun¸cão da potência do laser de bombeio. Os resultados obtidos são então ajustados por uma lei de potência,

dA dt n,δ,TS = aPb _(5.6)

onde A é a amplitude máxima dos picos, P é a potência do laser de bombeio.

O procedimento descrito acima é realizado para todos os picos observados no espectro de fluorescência na Figura 5.12. Como estamos interessados apenas na lei de potência, é

5.3. Medidas do espectro de fluorescˆencia 95

feita uma normaliza¸cão dividindo-se os dados, da Figura 5.14, pelo respectivo parâmetro a do ajuste. Em em seguida, os gráficos são tra¸cados em uma escala log-log, evidenciando o expoente b para cada pico.

0 5 10 0 2 4 Amplitude(unid.arb.) Amplitude(unid.arb.) Amplitude(unid.arb.) Potência (mW) 0 5 10 0,0 0,8 1,6 Potência (mW) 0 5 10 0 1 2 Amplitude(unid.arb.) Potência (mW) 0 3 6 9 0,0 0,8 1,6 2,4 Potência (mW)

Figura 5.14 – Varia¸cão do máximo de alguns dos picos do espectro de fluorescência em fun¸cão da potência do laser de bombeio. Quadrados, c´ırculos, triângulos e diamantes são respectivamente os picos de fluorescência em 352, 369, 416 e 437 nm.

Na Figura5.15, apresentamos os resultados obtidos. Observa-se que todos os picos têm uma dependência no máximo quadrática com a potência. As três linhas: tracejada, pontilhada e tracejada-pontilhada correspondem respectivamente a uma lei de potência com coeficiente b igual a 3, 2 e 1, que são usadas como referência. Como vemos, todos o resultados obtidos correspondem apenas a leis de potência entre 2 e 1. Como nenhum dos gráficos apresentou uma dependência com a potência 3, interpretamos que nenhum desses processo está relacionado com a forma¸cão do filme, o qual tem uma dependência com o cubo da intensidade.

5.4. Medidas com dois campos 96

No documento Estudo sistemático do processo de adsorção induzida por laser de vapor de césio em superfície dielétrica (páginas 112-117)