Les chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory ont peut-être trouvé un moyen d'améliorer la spectroscopie Raman en tant qu'outil d'identification de substances à des concentrations extrêmement faibles. Les applications potentielles de la spectroscopie Raman comprennent le diagnostic médical, développement de médicaments/produits chimiques, la médecine légale et des systèmes de détection hautement portables pour la sécurité nationale.

La capacité d'identifier des molécules à faibles concentrations avec une grande spécificité et de fournir non invasif, les mesures non destructives ont conduit à l'utilisation croissante de la spectroscopie Raman comme technique d'analyse acceptée. Mais un inconvénient de cette technique a été son manque de sensibilité et de fiabilité à des concentrations extrêmement faibles.

La spectroscopie Raman consiste à observer la diffusion de la lumière, généralement à partir d'un laser, par les molécules d'une substance transparente. La différence de longueur d'onde de la lumière diffusée et de la lumière incidente peut fournir des informations détaillées sur la nature de la substance.

"La diffusion Raman fournit une belle empreinte des matériaux d'intérêt pour la sécurité nationale, " a déclaré Tiziana Bond du Center for Micro and Nano Technology de LLNL.

Bond et son groupe développent la spectroscopie Raman améliorée en surface (SERS), une méthode qui augmente les ordres de grandeur de sensibilité en améliorant les signaux. Tout en affichant un grand potentiel, les substrats utilisés pour la SERS, surfaces métalliques généralement rugueuses, ont donné des signaux variables considérés, jusqu'à présent, non fiable. La surface rugueuse améliore l'interaction de la molécule avec le métal. Le défi a été de trouver un moyen de créer un substrat avec des caractéristiques topographiques uniformes qui produisent des améliorations de signal cohérentes.

Certains de ces travaux sont décrits dans un article publié dans l'édition de septembre 2010 de Nanotechnologie intitulé " Caractérisation spectrale Raman améliorée de surface rigoureuse de grande surface, Haute-uniformité, Réseaux de nanopiliers de silice coniques revêtus d'argent , " qui a été publié par Bond et son groupe en collaboration avec des chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign.

Des techniques améliorées de nano-ingénierie et des méthodes de fabrication de semi-conducteurs ont permis la production de substrats SERS - la couche de base ou la texture sur des plaquettes de 4 à 6 pouces - qui sont plus fiables. La clé est des substrats avec une "reproductibilité" suffisante pour une analyse fiable. Les chercheurs du LLNL ont travaillé sur plusieurs techniques pour obtenir un substrat plus robuste et uniforme qui maintient une sensibilité et une reproductibilité élevées.

Les améliorations électromagnétiques et chimiques sont deux facteurs qui affectent l'amélioration totale du SERS (par rapport à Raman). Le premier est plus fort et représente des améliorations de magnitude 106-108, tandis que le second est généralement responsable de 10 à 100 facteurs. Pour exploiter les effets électromagnétiques, les nanostructures métalliques doivent être correctement conçues.

Dans un article intitulé " Cavités résonantes plasmoniques dans les réseaux de nanofils verticaux " Publié dans Lettres nano plus tôt cette année, Le groupe de Bond, étudier une conception innovante utilisant un substrat vertical de réseau de nanofils recouvert d'or qui fournirait une amélioration forte et contrôlable. L'innovation de l'équipe LLNL est la fabrication de cavités à résonance plasmonique "accordables" dans les réseaux de fils verticaux - les cavités sont l'espace entre les fils verticaux. Mihail Bora, un post-doctorant qui a rejoint le groupe de Bond il y a un an, est fortement impliqué dans cette partie du projet et explique que les plasmons de surface sont des ondes électromagnétiques similaires à la lumière, sauf qu'ils sont confinés sur des surfaces métalliques. L'accord de la résonance plasmon est obtenu en contrôlant les dimensions géométriques de la cavité.

Ils introduisent la plus petite cavité résonante optique qui est des milliers de fois plus petite que la longueur d'onde de la lumière et ont montré qu'il est possible de dépasser cette limite de diffraction en utilisant des plasmons de surface. Les cavités résonantes sont actuellement utilisées pour la spectroscopie Raman améliorée en surface afin de détecter des analytes chimiques (concentration). "En confinant la lumière dans des espaces aussi restreints, nous sommes capables de créer des champs intenses qui sont utiles pour augmenter le signal de spectroscopie, " dit Bond.

Ces caractéristiques de conception offrent un certain nombre d'avantages. Par exemple, il permet de régler la sensibilité des substrats, ou adapté, à différentes longueurs d'onde offrant aux chercheurs une plus grande polyvalence.

Parmi les extensions d'application possibles du substrat plasmonique au-delà de l'amélioration du SERS, citons la démonstration de lasers plasmoniques sous-longueur d'onde, et des réseaux de nanoantennes à large bande pour le photovoltaïque en jouant avec les facteurs géométriques.

Les travaux du groupe ont été financés par la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) et le programme de recherche et développement dirigés par les laboratoires (LDRD) du LLNL.