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Engineering

Nanoparticules et nanostructures ultrarapides ablées par laser pour des applications de détection basées sur la diffusion Raman améliorée en surface

Published: June 16, 2023 doi: 10.3791/65450
Automatic Translation
1, 1, 1, 1
1Advanced Centre for Research in High Energy Materials (ACRHEM), DRDO Industry Academia - Centre of Excellence (DIA-COE), University of Hyderabad

Summary

L’ablation laser ultrarapide dans un liquide est une technique précise et polyvalente pour synthétiser des nanomatériaux (nanoparticules [NPs] et nanostructures [NSs]) dans des environnements liquides/aériens. Les nanomatériaux ablatés par laser peuvent être fonctionnalisés avec des molécules actives Raman pour améliorer le signal Raman des analytes placés sur ou à proximité des NS/NPs.

Abstract

La technique d’ablation laser ultrarapide dans les liquides a évolué et mûri au cours de la dernière décennie, avec plusieurs applications imminentes dans divers domaines tels que la détection, la catalyse et la médecine. La particularité de cette technique est la formation de nanoparticules (colloïdes) et de nanostructures (solides) en une seule expérience avec des impulsions laser ultracourtes. Nous travaillons sur cette technique depuis quelques années, en étudiant son potentiel en utilisant la technique de diffusion Raman améliorée en surface (SERS) dans les applications de détection de matières dangereuses. Les substrats ultrarapides ablatés par laser (solides et colloïdes) pourraient détecter plusieurs molécules d’analyte à l’état de traces/mélanges, y compris des colorants, des explosifs, des pesticides et des biomolécules. Nous présentons ici quelques-uns des résultats obtenus en utilisant les cibles d’Ag, d’Au, d’Ag-Au et de Si. Nous avons optimisé les nanostructures (NS) et les nanoparticules (NPs) obtenues (dans les liquides et l’air) en utilisant différentes durées d’impulsions, longueurs d’onde, énergies, formes d’impulsions et géométries d’écriture. Ainsi, divers NS et NP ont été testés pour leur efficacité à détecter de nombreuses molécules d’analyte à l’aide d’un spectromètre Raman simple et portable. Cette méthodologie, une fois optimisée, ouvre la voie à des applications de détection sur le terrain. Nous discutons des protocoles dans (a) la synthèse des NPs/NSs par ablation laser, (b) la caractérisation des NPs/NSs, et (c) leur utilisation dans les études de détection basées sur le SERS.

Introduction

L’ablation laser ultrarapide est un domaine en évolution rapide des interactions laser-matériau. Des impulsions laser de haute intensité avec des durées d’impulsion de l’ordre de la femtoseconde (fs) à la picoseconde (ps) sont utilisées pour générer une ablation précise du matériau. Par rapport aux impulsions laser nanosecondes (ns), les impulsions laser ps peuvent ablater les matériaux avec une précision et une exactitude plus élevées en raison de leur durée d’impulsion plus courte. Ils peuvent générer moins de dommages collatéraux, de débris et de contamination du matériau ablaté en raison de moins d’effets thermiques. Cependant, les lasers ps sont généralement plus chers que les lasers ns et nécessitent une expertise spécialisée pour le fonctionnement et la maintenance. Les impulsions laser ultrarapides permettent un contrôle précis du dépôt d’énergie, ce qui conduit à des dommages thermiques hautement localisés et minimisés au matériau environnant. De plus, l’ablation laser ultrarapide peut conduire à la génération de nanomatériaux uniques (c’est-à-dire que les tensioactifs/agents de capsulage ne sont pas obligatoires lors de la production de nanomatériaux). Par conséquent, nous pouvons appeler cela une méthode de synthèse/fabrication verte 1,2,3. Les mécanismes de l’ablation laser ultrarapide sont complexes. La technique implique différents processus physiques, tels que (a) l’excitation électronique, (b) l’ionisation et (c) la génération d’un plasma dense, qui entraîne l’éjection de matière de la surface4. L’ablation au laser est un processus simple en une seule étape pour produire des nanoparticules (NP) avec un rendement élevé, une distribution granulométrique étroite et des nanostructures (NS). Naser et al.5 ont effectué un examen détaillé des facteurs influençant la synthèse et la production de NPs par la méthode d’ablation laser. L’examen a couvert divers aspects, tels que les paramètres d’une impulsion laser, les conditions de mise au point et le milieu d’ablation. L’examen a également discuté de leur impact sur la production d’une large gamme de NP à l’aide de la méthode d’ablation laser dans le liquide (LAL). Les nanomatériaux ablatés par laser sont des matériaux prometteurs, avec des applications dans divers domaines tels que la catalyse, l’électronique, la détection et les applications biomédicales, de séparation de l’eau 6,7,8,9,10,11,12,13,14.

La diffusion Raman améliorée en surface (SERS) est une puissante technique de détection analytique qui améliore considérablement le signal Raman des molécules de sonde/analyte adsorbées sur les NS/NP métalliques. SERS est basé sur l’excitation des résonances plasmoniques de surface dans les NP/NS métalliques, ce qui entraîne une augmentation significative du champ électromagnétique local à proximité des nano-caractéristiques métalliques. Ce champ amélioré interagit avec les molécules adsorbées à la surface, ce qui améliore considérablement le signal Raman. Cette technique a été utilisée pour détecter divers analytes, y compris les colorants, les explosifs, les pesticides, les protéines, l’ADN et les médicaments15,16,17. Au cours des dernières années, des progrès significatifs ont été réalisés dans le développement de substrats SERS, y compris l’utilisation de NP métalliques de forme différente 18,19 (nanotiges, nanoétoiles et nanofils), de NS hybrides20,21 (une combinaison du métal avec d’autres matériaux tels que Si22,23, GaAs 24, Ti 25, graphène 26, MOS227, Fe 28, etc.), ainsi que des substrats souples29,30 (papier, tissu, nanofibre, etc.). Le développement de ces nouvelles stratégies dans les substrats a ouvert de nouvelles possibilités pour l’utilisation du SERS dans diverses applications en temps réel.

Ce protocole traite de la fabrication de NPs Ag à l’aide d’un laser ps à différentes longueurs d’onde et de NPs en alliage Ag-Au (avec différents ratios de cibles Ag et Au) fabriqués à l’aide de la technique d’ablation laser dans de l’eau distillée. De plus, des micro/nanostructures de silicium sont créées à l’aide d’un laser fs sur du silicium dans l’air. Ces NP et NS sont caractérisés à l’aide de l’absorption ultraviolette (UV) et visible, de la microscopie électronique à transmission (MET), de la diffraction des rayons X (DRX) et de la microscopie électronique à balayage par émission de champ (FESEM). De plus, la préparation des substrats SERS et des molécules d’analyte est discutée, suivie de la collecte des spectres Raman et SERS des molécules d’analyte. L’analyse des données est effectuée pour déterminer le facteur d’amélioration, la sensibilité et la reproductibilité des NP/NS ablatés par laser en tant que capteurs potentiels. De plus, des études SERS typiques sont discutées et les performances SERS des substrats hybrides sont évaluées. Plus précisément, il a été constaté que la sensibilité SERS des nanoétoiles d’or prometteuses peut être améliorée d’environ 21 fois en utilisant du silicium structuré au laser au lieu de surfaces lisses (telles que le Si/verre) comme base.

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Protocol

La figure 1A présente un organigramme de protocole typique de l’application de NP ou de NS à ablation ultrarapide dans la détection de traces de molécules via SERS.

1. Synthétiser les NP/NS métalliques

REMARQUE : En fonction de l’exigence/de l’application, choisissez le matériau cible, le liquide environnant et les paramètres d’ablation laser.
Ici:
Matériaux cibles : Ag
Liquide environnant : 10 mL de DI
Paramètres du laser : 355/532/1064 nm ; 30 ps ; 10 Hz ; 15 mJ
Lentille de mise au point : Lentille plan-convexe (distance focale : 10 cm)
Paramètres de la platine : 0,1 mm/s dans les directions X et Y

  1. Nettoyage de l’échantillon avant l’ablation au laser
    1. Effectuez un nettoyage par ultrasons (40 kHz, 50 W, 30 °C) de la surface cible à l’aide d’acétone pendant 15 minutes, ce qui élimine diverses matières organiques, y compris les huiles, les graisses et les cires.
    2. Ensuite, soumettez la surface à un nettoyage par ultrasons à l’éthanol pendant 15 minutes supplémentaires pour éliminer les contaminants polaires, tels que les sels et les sucres.
    3. Enfin, nettoyez la surface avec de l’eau déminéralisée (DW) à l’aide d’un nettoyage par ultrasons pendant 15 minutes pour éliminer toute trace restante de solvants ou de contaminants de la surface de l’échantillon.
      REMARQUE : Ces étapes aideront à éliminer toutes les impuretés indésirables qui peuvent être présentes sur la surface, garantissant une analyse précise.
  2. Mesure du poids de l’échantillon
    1. Mesurez le poids de l’échantillon avant l’ablation.
    2. Effectuez l’expérience d’ablation au laser sur l’échantillon.
    3. Mesurez à nouveau le poids de l’échantillon après l’expérience d’ablation.
    4. En comparant le poids de l’échantillon avant et après l’ablation, estimez la quantité de matière qui a été retirée pendant l’expérience. Ces informations seront utiles pour analyser les propriétés du matériau ablaté, telles que la concentration et le rendement des produits ablatés.
  3. Ajustez les paramètres du laser
    1. Ajustez la puissance d’entrée du laser de manière à ce qu’elle soit supérieure au seuil d’ablation de l’échantillon. Ici, une puissance d’entrée de ~150 mW a été utilisée pour l’ablation laser ps de la cible Ag.
      REMARQUE : Le seuil fait référence à l’énergie minimale par unité de surface requise pour chauffer le matériau cible jusqu’au point où il est vaporisé et converti en plasma.
    2. Combinez un polariseur et une plaque demi-onde pour ajuster l’énergie de l’impulsion laser. La figure 1B montre le schéma de l’ablation laser ultrarapide.
  4. Réglages de la mise au point laser sur la surface de l’échantillon
    1. Focalisez le faisceau laser sur l’échantillon à l’aide d’une lentille de focalisation pour ablater la surface du matériau.
    2. Ajustez manuellement la mise au point du laser sur l’échantillon à l’aide d’une platine de translation dans la direction Z en observant le plasma brillant produit et le bruit de craquement qui en émane.
      NOTE : Pour visualiser le plasma généré pendant les expériences d’ablation au laser, les photographies des deux configurations sont fournies à la figure 2A : (i) ablation au laser dans l’air et (ii) ablation au laser dans le liquide (LAL).
  5. Différents types de mise au point
    REMARQUE : L’optique de focalisation peut aider à augmenter la densité d’énergie du faisceau laser (formation de plasma) à la surface de l’échantillon, conduisant à une ablation plus efficace. Différents types d’optiques de focalisation peuvent être utilisés, tels que des lentilles plan-convexes, axicon31, des lentilles cylindriques, etc.
    1. Utilisez des optiques de focalisation pour focaliser le faisceau laser sur l’échantillon, en fonction des exigences spécifiques, comme l’obtention de différentes profondeurs d’ablation, ce qui permet un meilleur contrôle de la synthèse des NP/NS. La figure 2B montre les trois conditions de focalisation utilisées dans LAL.
      REMARQUE : Le réglage de la mise au point laser sur l’échantillon lors de l’ablation laser nécessite certaines précautions pour assurer la sécurité et la précision.
    2. Vérifiez et entretenez l’équipement utilisé pour manipuler la mise au point laser afin de vous assurer qu’elle fonctionne correctement.
    3. Ajustez la mise au point du laser en toute sécurité et avec précision pour minimiser le risque de blessure ou d’endommagement de l’équipement.
      REMARQUE : Le choix de la distance focale des lentilles dépend du matériau utilisé pour l’ablation laser, du type de laser (durée de l’impulsion, taille du faisceau) et également de la taille de tache souhaitée à la surface de l’échantillon.
  6. Zone de balayage de l’échantillon
    1. Positionnez l’échantillon sur les platines X-Y connectées à un contrôleur de mouvement ESP. L’échantillon se déplace perpendiculairement à la direction de propagation du laser.
      REMARQUE : Le contrôleur de mouvement ESP est utilisé pour effectuer un balayage matriciel de l’échantillon dans les directions X et Y afin d’éviter l’ablation en un seul point.
    2. Ajustez la vitesse de balayage (généralement 0,1 mm/s pour un meilleur rendement des NP métalliques) et la zone de traitement laser pour optimiser le nombre d’impulsions laser qui interagissent avec l’échantillon, car cela affecte le rendement des NP.
    3. Pour obtenir les dimensions souhaitées et éviter l’ablation en un seul point, effectuez un modelage laser tout en scannant l’échantillon pendant le processus d’ablation laser.
      NOTE : La figure 3A, B illustre la photographie de la configuration de l’ablation laser fs en engageant des faisceaux gaussiens et de Bessel, respectivement.
  7. Ablation laser dans un liquide pour synthétiser des NP/NS métalliques
    1. Effectuez une expérience d’ablation au laser après avoir défini toutes les exigences souhaitées. Suivez les étapes mentionnées aux étapes 1.1 à 1.6.
    2. Assurez-vous de surveiller la puissance du laser et d’autres paramètres pour vous assurer qu’ils restent cohérents tout au long de l’expérience.
    3. Observez en permanence le matériau cible pendant l’expérience d’ablation au laser pour vous assurer que le faisceau laser reste focalisé sur la zone souhaitée.
      NOTE : La figure 3A,B montre les configurations expérimentales d’ablation laser fs pour synthétiser les NP à l’aide d’un faisceau gaussien et d’un faisceau axicon, respectivement. Une lentille plan-convexe a été utilisée pour focaliser les impulsions d’entrée. La formation de NPs est évidente à partir des images obtenues à différents moments de l’expérience. La couleur de la solution indique la formation de NP, et un changement de couleur dans la solution indique une augmentation du rendement des NP (illustré à la figure 4). Des lunettes de sécurité laser doivent être portées lorsque vous travaillez dans le laboratoire laser, en utilisant uniquement des lunettes de sécurité laser approuvées pour la longueur d’onde appropriée. Toute réflexion parasite du faisceau laser de haute puissance dans l’œil est extrêmement dangereuse et entraîne des dommages irréversibles. Le faisceau laser doit être maintenu à l’écart de toutes les personnes présentes dans le laboratoire laser. Les éléments optiques de l’installation n’ont pas été perturbés sur la table optique. L’échantillon et les étages doivent être surveillés pendant que les expériences sont effectuées.

2. Stockage des NP/NS colloïdaux

  1. Conservez les NP synthétisés dans des bouteilles en verre propres et conservez les NS dans des contenants hermétiques. Placez les deux à l’intérieur d’un dessiccateur.
    REMARQUE : La figure 5 montre des NP colloïdaux de différentes couleurs synthétisés par LAL en combinant différents liquides et cibles. Ici, la figure 5A,B montre les photographies typiques de différents NP colloïdaux, y compris (i) les NP métalliques, les NP Ag, Au et Cu dans divers solvants, tels que le DW et le NaCl ; (ii) les NP d’alliages métalliques, les NP Ag-Au de compositions différentes, les NP Ag-Cu et les NP Au-Cu ; et (iii) les NP d’alliages métal-semi-conducteurs, les NP de titane-Au et de silicium-Au/Ag. Ces photographies illustrent la variété des NP qui peuvent être synthétisés à l’aide de méthodes colloïdales et mettent en valeur les propriétés optiques uniques des NP en alliage métal-semi-conducteur. Le stockage correct des NP colloïdaux est crucial pour assurer leur stabilité et maintenir leurs propriétés. Les bouteilles en verre sont préférées aux récipients en plastique ou en métal, car elles ne réagissent pas avec les NP. Les NP/NS doivent être entreposés dans un récipient muni d’un couvercle hermétique pour minimiser l’exposition à l’air et conservés dans un endroit sombre qui les protège de la lumière.

3. Caractérisation des NP/NS ablatés par laser

REMARQUE : La caractérisation des NS/NP métalliques est essentielle pour comprendre leurs propriétés et s’assurer de leur qualité, telles que la taille, la forme, la composition, etc.

  1. Spectroscopie d’absorption
    REMARQUE : La spectroscopie d’absorption UV-visible est une technique bien établie pour caractériser les NP métalliques. Il est considéré comme rapide, simple et non invasif, ce qui en fait un outil précieux pour déterminer diverses propriétés des NP. La position des pics est liée à diverses propriétés des NP, telles que leur composition matérielle, leur distribution de taille, leur forme et le milieu environnant.
    1. Préparation d’échantillons pour les études d’absorption UV-visible
      1. Avant d’enregistrer le spectre, assurez-vous que les NP sont uniformément répartis et en suspension dans la solution. Remplir une cuvette d’échantillon avec les 3 mL de suspension de NP et une cuvette de référence remplie du solvant de base (dans lequel les NPs sont dispersés). Assurez-vous que les cuvettes sont propres et exemptes de contaminants.
      2. Collectez les données d’absorption (dans la gamme spectrale de 200 à 900 nm) en utilisant une taille de pas typique de 1 nm.
  2. Analyse TEM
    REMARQUE : La taille et la forme des NP colloïdaux ont été examinées au microscope électronique à transmission, puis analysées à l’aide du logiciel.
    1. Préparation de la grille TEM
      1. À l’aide d’une micropipette, verser doucement environ 2 μL de la suspension métallique NP sur une grille TEM recouverte d’une fine pellicule de carbone au-dessus d’une fine grille de cuivre. Laissez le solvant s’évaporer naturellement à température ambiante (RT).
        NOTE : Pour la collecte d’images TEM, une tension d’accélération de 200 kV et un courant de canon à électrons de ~100 μA ont été utilisés. Les micrographies ont été recueillies à différents grossissements de 2 nm, 5 nm, 10 nm, 20 nm, 50 nm, 100 nm et 200 nm. L’analyse TEM a été utilisée pour déterminer la taille et la forme des NP.
  3. Analyse MEB
    NOTA : La morphologie de surface des NS ablatés par laser et le dépôt/composition des NPs ablatés par laser sur les Si/NS nus nus ont été examinés à l’aide de FESEM. La figure 6 montre une photographie typique d’un échantillon de métal, de semi-conducteur ou d’alliage NS ablaté par laser.
    1. Préparation de l’échantillon MEB : Pour la caractérisation MEB des NP, déposer une petite gouttelette de la suspension du NP sur une plaquette de silicium nettoyée, qui sert de support d’échantillon. Ensuite, séchez l’échantillon à RT.
    2. Utiliser les NS métalliques directement pour la caractérisation FESEM sans autre préparation pour la morphologie de surface.
      REMARQUE : Pour la collecte d’images FESEM, la haute tension électronique était de 3 à 5 kV et la distance de travail était généralement de 5 à 7 mm, à différents grossissements de 5 000x, 10 000x, 20 000x, 50 000x et 100 000x.
  4. Analyse XRD
    REMARQUE : La DRX est une technique couramment utilisée pour caractériser la structure cristalline et la qualité cristalline des NP.
    1. Préparation de l’échantillon XRD
      1. Couler 50 à 100 μL de la suspension NP sur une lame de verre. Ajoutez délicatement les gouttes au centre d’un échantillon de verre, goutte à goutte. Ajoutez les gouttes lentement au même endroit pour vous assurer que les NP sont répartis sur le verre afin d’obtenir des données XRD de bonne qualité.
        REMARQUE : Les données ont été collectées de 3° à 90° avec une taille de pas de 0,01° sur une durée de ~1 h. La longueur d’onde des rayons X utilisée était de 1,54 A°, la tension du générateur était de 40 kV et le courant du tube était de 30 mA.
      2. Séchez ensuite l’échantillon à RT pour obtenir un film homogène et mince de NPs.
    2. Analyse des données XRD
      1. Analysez les positions des pics XRD à l’aide des cartes JCPDS (Joint Committee on Powder Diffraction Standards). Chaque carte JCPDS contient des informations sur la structure cristalline d’un matériau spécifique, les paramètres de réseau et le motif XRD.

4. Application des NP/NS

  1. Analyse Raman
    1. Dans un premier temps, collectez les spectres Raman des molécules d’analyte souhaitées sous forme de poudre. Analyser les données Raman collectées pour identifier les pics spectraux correspondant aux modes vibrationnels de la molécule d’analyte.
  2. Préparation de la solution mère
    1. Confirmer la solubilité des molécules d’analyte dans le solvant choisi. Ensuite, préparez des solutions mères de molécules d’analyte avec des quantités pesées ou mesurées avec précision.
    2. Par exemple, pour préparer une solution mère de 50 mM de molécule de bleu de méthylène (MB) dans 5 mL d’éthanol :
      1. Calculez la quantité de poudre MB nécessaire à l’aide de la formule suivante : masse = concentration (en mM) x volume (en L) x poids moléculaire (en g/mol). Dans ce cas, masse = 50 mM x 0,005 L x 319 g/mol = 0,7995 g soit environ 800 mg.
      2. Pesez 800 mg de poudre MB à l’aide d’une balance numérique. Ajoutez la poudre dans une bouteille en verre propre.
      3. Ajoutez le solvant dans le flacon et secouez vigoureusement pour dissoudre la poudre. Fermez hermétiquement le bouchon de la bouteille et mélangez bien la solution.
  3. Collecte de données Raman
    1. Recueillir les spectres Raman de la solution mère en déposant une goutte de 10 μL de solution mère sur un morceau de plaquette de silicium propre. La figure 7A montre la photographie d’un spectromètre Raman portable avec une excitation laser de 785 nm.
  4. Préparation de molécules d’analytes
    1. À l’aide d’une micropipette, diluer la solution mère à différentes concentrations en ajoutant un volume approprié de solvant à une série de flacons en verre en fonction de la plage de concentration d’intérêt.
    2. Préparer la série de dilutions à partir d’une solution mère de 50 mM jusqu’à une concentration finale en utilisant la formule C connue x Vconnue = C inconnue x Vinconnue.
  5. Préparation du substrat SERS
    1. Pour préparer un substrat SERS à l’aide de NPs, déposez une petite goutte de NPs sur une surface de silicone propre et laissez-la sécher. Ensuite, placez une minuscule goutte de la molécule d’analyte souhaitée sur le substrat de silicium enrobé de NP. Un schéma de la préparation des substrats SERS à l’aide de NPs, d’hybrides et de NS métalliques est présenté à la figure 7B.
  6. Collection de spectres SERS
    1. Collectez les données SERS à l’aide d’un spectromètre Raman portable avec une source d’excitation laser de 785 nm. Comparer les pics Raman de la molécule d’analyte aux spectres avec ceux des étalons de référence (poudre et solution mère).
  7. Analyse des données SERS
    1. Traiter les spectres Raman et SERS obtenus pour la correction de l’arrière-plan, la soustraction des signaux de fluorescence, le lissage du signal et la correction de la ligne de base.
      1. Importez le fichier texte dans le logiciel ORIGIN, puis suivez les étapes suivantes : analyse > analyseur de crête et de ligne de base > > boîte de dialogue ouverte > soustraire la ligne de base > suivante > définie par l’utilisateur > ajouter un point de correction de ligne de base > terminé > terminer.
        NOTE : On peut écrire son propre programme Matlab/Python pour y parvenir.
    2. Analysez les pics résultants en termes de positions et d’intensités en plaçant le point de lecture/d’annotation sur le pic (dans ORIGIN).
    3. Attribuez les pics à leurs affectations de mode vibrationnel Raman correspondantes en fonction de leurs caractéristiques spectrales en collectant le spectre Raman en vrac, l’étude de la littérature et/ou les calculs de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT).
  8. Calcul de la sensibilité
    1. Calculez l’échelle du facteur d’amélioration (FE), définie comme le rapport entre l’intensité du signal Raman obtenue à partir du substrat actif SERS et celle obtenue à partir du substrat non plasmonique pour un mode Raman spécifique de la molécule d’analyte.
  9. Limite de détection
    1. Effectuez une analyse quantitative SERS à l’aide d’une courbe d’étalonnage linéaire, qui représente la relation entre la concentration de l’analyte cible et l’intensité mesurée du signal Raman.
      Limite de détection (LOD) = 3 x (écart-type du bruit de fond)/(pente de la courbe d’étalonnage).
  10. Reproductibilité
    NOTA : La capacité du substrat à produire de manière constante des signaux SERS identiques ou similaires pour une molécule d’analyte donnée dans les mêmes conditions expérimentales est appelée reproductibilité du substrat SERS.
    1. Calculez l’écart-type relatif (DSR) comme suit : DSR = (écart-type/moyenne) x 100 %
      REMARQUE : En général, des valeurs de RSD comprises entre 5 % et 20 % sont considérées comme acceptables pour la plupart des expériences SERS, mais des valeurs de RSD plus faibles sont souvent souhaitables pour des mesures SERS plus quantitatives et plus fiables

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Representative Results

Les NPs d’argent ont été synthétisés par ablation laser ps en technique liquide. Ici, un système laser ps avec une durée d’impulsion de ~30 ps fonctionnant à une fréquence de répétition de 10 Hz et avec une longueur d’onde de 355, 532 ou 1 064 nm a été utilisé. L’énergie d’impulsion d’entrée a été ajustée à 15 mJ. Les impulsions laser ont été focalisées à l’aide d’une lentille plan-convexe d’une distance focale de 10 cm. La mise au point laser doit être exactement sur la surface du matériau pendant l’ablation laser, car l’énergie laser est la plus concentrée au point focal, où elle peut provoquer l’enlèvement de matière souhaité. Si la mise au point du laser n’est pas sur la surface du matériau, l’énergie laser est répartie sur une plus grande surface ; Il se peut qu’il ne soit pas suffisant pour l’enlèvement de matière ou les modifications de surface. Cela peut finalement conduire à une ablation incomplète ou incohérente. L’échantillon a été traduit à l’aide de 0,1 mm/s le long des directions X et Y. La cible Ag a été immergée dans 10 mL de DI et la hauteur du liquide au-dessus de l’échantillon était de ~7 mm. En général, la hauteur du solvant doit être suffisante pour couvrir l’ensemble du matériau cible et éviter que le matériau ne surchauffe pendant l’ablation au laser. De plus, si la hauteur du liquide est trop élevée, il peut absorber une partie de l’énergie laser d’entrée avant qu’elle n’atteigne le matériau cible, ce qui réduit le mécanisme d’ablation et réduit le rendement en NP. Si la hauteur du liquide est trop faible, à des énergies laser d’entrée plus élevées, cela peut conduire à l’agglomération des NP. De plus, il doit être choisi pour fournir une dispersion suffisante du matériau ablaté et empêcher l’agglomération des NP. Le poids de la cible est mesuré avant et après le processus d’ablation donnera une idée de la quantité de matériau qui a été retirée. Ici, la masse ablée a été estimée à ~0,37, ~0,38 et ~0,41 mg à 355, 532 et 1 064 nm, respectivement. Ceci est important pour estimer le rendement des NP colloïdaux souhaités et s’assurer que le processus est reproductible dans les mêmes conditions expérimentales. Ensuite, les NPs Ag synthétisés ont été caractérisés par spectroscopie d’absorption UV-visible. Cette méthode mesure la quantité de lumière absorbée par les NP à différentes longueurs d’onde dans les régions UV-visible proche infrarouge (NIR) du spectre. Les spectres d’absorption obtenus par spectroscopie UV-visible peuvent être utilisés pour déterminer la résonance plasmonique de surface localisée (LSPR) des NPs. LSPR est une oscillation collective d’électrons dans les NPs, entraînant un pic d’absorption dans la région UV-visible.

La figure 8A montre les spectres d’absorption des NP colloïdaux d’Ag obtenus par ablation laser ps de l’Ag dans DW à différentes longueurs d’onde (355 nm, 532 nm et 1 064 nm). Les spectres révèlent que les pics de résonance plasmonique de surface (SPR) des NP résultants étaient situés à ~420 nm, ~394 nm et ~403 nm pour les NP atteints à 355 nm, 532 nm et 1 064 nm, respectivement. L’absorbance des NP augmentait avec la diminution de la longueur d’onde du laser. Cela peut être attribué aux niveaux plus élevés d’auto-absorption des impulsions laser à des longueurs d’onde plus faibles. La figure 8B illustre les spectres d’absorbance normalisés des NP de l’alliage Ag-Au de compositions différentes. La position de pointe du SPR est passée de 410 nm à 519 nm, avec une augmentation du pourcentage d’Au de 0 % à 100 %. La figure 8C représente une corrélation entre la position du pic SPR et la fraction molaire d’or dans les NP de l’alliage Ag-Au. Cette relation fournit un outil utile pour prédire la position du pic SPR des NP de l’alliage Ag-Au avec des compositions différentes, ce qui peut aider à la conception et à la synthèse de NP avec des propriétés optiques spécifiques. De plus, des études TEM ont été réalisées pour examiner la taille et la forme des NP Ag. La figure 9A-C présente les images TEM des NP Ag dans DW à 355 nm, 532 nm et 1 064 nm, respectivement. La forme des NP Ag était sphérique, et la distribution granulométrique des NPs Ag dans DW est illustrée à la figure 9D-F. Les tailles moyennes des NP Ag étaient de ~12,4 nm ± 0,27 nm, ~23,9 nm ± 1,0 nm et ~25 nm ± 0,7 nm, respectivement, à 355 nm, 532 nm et 1 064 nm. La taille moyenne des NP Ag fabriqués avec une lumière laser de 1 064 nm était supérieure à celle de ceux fabriqués avec des impulsions laser de 355 nm et 532 nm. Il a été rapporté que l’augmentation de la taille des NP avec l’augmentation de la longueur d’onde était probablement la coexistence de LAL et l’auto-absorption de la lumière laser par des particules métalliques colloïdales provoquant la fragmentation laser dans les liquides (LFL). De plus, des profils typiques de DRX des NP Ag sur des lames de verre ont été enregistrés (figure 10). Les positions 2thêta font référence aux angles auxquels un matériau cristallin diffracte les rayons X. L’angle est mesuré entre le faisceau de rayons X incident et le détecteur et est exprimé en degrés. Les maxima de crête sont positionnés à 38,4°, 44,6°, 64,7° et 77,7°, et correspondent aux réflexions de Bragg de l’Ag à partir des plans ayant des indices de Miller (1 1 1), (2 0 0), (2 2 0), (3 1 1) et (2 2 2), respectivement. Les pics remarqués correspondent au numéro de dossier JCPDS Ag : 03-0921 avec une structure cubique centrée sur la face.

De plus, les micrographies FESEM typiques du Si déposé par Ag NP, du Si ablaté par laser à une ligne, du Sif à motifs croisés sur le Si et du fer (Fe) ablaté par laser dans les morphologies de l’acétone sont fournies, qui sont illustrées à la figure 11. En fonction de l’interaction laser-matériau, la morphologie des structures du substrat, telles que LIPSS/Groove/ondulations, etc., peut être formée. La figure 12 illustre des images FESEM typiques d’Au NPs en forme d’étoile déposés sur le Si nu et les surfaces de Si à motifs croisés ablatés par laser. La distribution des NP au Si nu est illustrée à la figure 12A. La figure 12B-D présente la distribution des nanoétoiles d’or sur la surface du Si ablaté par laser. La figure 12B montre la distribution sur la surface non interagie, tandis que la figure 12C,D illustre les images FESEM de micro/nanostructures de Si à motifs laser avec la distribution des NPs Au.

Par la suite, l’application des NPs/NSs ablatés au laser dans les études SERS a été exécutée. La préparation des substrats Raman et SERS (avec et sans NPs) et la collecte des spectres Raman et SERS correspondants de MB sont illustrées à la figure 13. L’augmentation des pics Raman de la molécule MB a été clairement observée même à une concentration de 5 μM, soit 20 000 fois moins que la concentration utilisée pour Raman - 100 mM (solution mère). Les pics Raman de la molécule MB ont été augmentés en présence de NP par rapport à ceux sans NP. La figure 14A-C illustre l’intensité SERS obtenue de MB, NB et thirame en utilisant le silicium à motif laser (à différents nombres d’impulsion en variant la vitesse et le motif de balayage) : (i) Si_5L, (ii) Si_5C, (iii) Si_0,5L et (iv) Si_0,5C avec des nanoétoiles Au. L’amélioration Raman des trois molécules est remarquée à partir des Si NS, et la reproductibilité est également vérifiée à partir de 15 endroits différents à partir de quatre substrats. Le tracé de l’histogramme de la figure 14D avec le RSD pour Si_5L, Si_5C, Si_0,5 L et Si_0,5 C révèle que les Si NS avec des substrats d’étoiles ont montré un meilleur signal SERS dans toute la région.

Figure 1
Figure 1 : Schéma et organigramme de l’ablation laser ultrarapide. (A) Organigramme typique de détection de traces à l’aide de NP/NS ultrarapides ablatés par laser via SERS. (B) Schéma de l’ablation laser ultrarapide dans un liquide. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 2
Figure 2 : Photographies de diverses expériences d’ablation au laser. (A) Photographies (a) de la LAL de l’or dans l’air et (b) de la LAL de la cible Ag dans une solution de sel d’or (HAuCl4) (le point lumineux représenté est le plasma). (B) Photographies de l’ablation au laser dans différentes conditions de mise au point avec une lentille (a) plan-convexe, (b) une lentille axiconique et (c) une lentille cylindrique. Ici, il y a généralement une hauteur de liquide de 7 mm pour 10 mL de solution à 500 μJ pour la lentille plan-convexe, une hauteur de 3 mm pour 5 mL de solution pour le faisceau de Bessel et une hauteur de 10 mm pour 10 mL pour la lentille cylindrique. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 3
Figure 3 : Photographies de l’ablation au laser fs. (A) Photographie (a) de la configuration de l’ablation au laser fs et des NP métalliques qui en résultent (b) des NP métalliques (pendant l’ablation au laser), et (c) des NS métalliques (après l’ablation au laser) à l’aide de la lentille plan-convexe. (B) Photographie (a) de l’ablation au laser fs à l’aide de la lentille axicon et (b) image agrandie de la photographie. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 4
Figure 4 : Photographies de l’ablation au laser fs dans un liquide à différents moments à l’aide de la lentille plan-convexe. (A) 1 min, (B) 5 min, (C) 20 min. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 5
Figure 5 : Photographies de NPs colloïdaux ablatés par laser. (A) NPs en or à différentes énergies (μJ) : (a) 200, (b) 300, (c) 400 et (d) 500 par ablation laser fs en DW. (B) (a) les NP Ag, (b) les NP Au, et (c) les NPs Cu par fs LAL dans DW. (C) Concentrations d’or NP agrégées (ablation laser fs dans la DW) à différentes concentrations de NaCl (mM) : (a) 1, (b) 10, (c) 50, (d) 100, (e) 500 mM et (f) 1 M32. (D) (a) Ag pur, (b) Ag 50 Au50, et (c) Au pur par ablation laser ps dans NaCl. (E) NP d’alliage : (a) Ag pur, (b) Ag 70 Au 30, (c) Ag 50 Au 50, (d) Ag 30 Au 70, et (e) Au pur par ablation laser ps dans des NP colloïdaux d’eau distillée. (F) NP d’alliage : (a) Ag 60 Au 40, (b) Ag 50 Au50, (c) Ag 40 Au 60, (d) Ag 30 Au 70, (F) NP d’Ag 60 Au, (b) Ag 50 Au 60, (d) Ag30 Au 70, et (e) Ag20Au80 par ablation laser fs dans de l’acétone. (G) Alliages métalliques NP : (a) Cu_Au, (b) Ag_Au et (c) Ag_Cu. (H) Alliages métalliques semi-conducteurs NP : (a) Au_TiO 2, (b) Ag-SiO 2 et (c) Au_SiO 2 NP Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 6
Figure 6 : Photographie de NP d’alliage Ag-Au (A) Ag, (B) Au, (C) Cu, (D) Si et (E-H) d’alliage Ag-Au avec des rapports différents d’Ag et d’Au. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 7
Figure 7 : Préparation du substrat SERS. (A) Photographie du spectromètre Raman portable. (B) Schéma de préparation du substrat SERS à l’aide (1) de NP de métaux colloïdaux, (2) de NS métalliques rigides et (3) de substrats hybrides (NS+NPs). Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 8
Figure 8 : Spectres d’absorption. (A) Spectres d’absorption des NP Ag ablatés par laser ps dans DW en utilisant différentes longueurs d’onde laser. (B) Spectres d’absorption UV-visible normalisés des NP Au-Ag ablatés par laser ps (1064 nm) : (i) Ag pur, (ii) Ag 70 Au 30, (iii) Ag 50 Au50, (iv) Ag30 Au70, et (v) Au pur. (C) Décalage de la position du pic SPR avec l’augmentation du pourcentage d’or dans les NP de l’alliage Ag-Au. Les panneaux B et C ont été reproduits avec la permission de Byram et al33. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 9
Figure 9 : Images TEM et histogrammes de taille respectifs des NPs Ag fabriqués en DW à l’aide d’impulsions laser de 30 ps. (A,D) 355 nm, (B,E) 532 nm et (C,F) 1 064 nm. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 10
Figure 10 : Diagramme XRD des NP Ag ablatés par laser ps (1 064 nm) dans DW. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 11
Figure 11 : Images FESEM. (A) Dépôt de Si. (B) Ablation d’une seule ligne de Si. (C) Ablation croisée sur Si. (D) Fe NSs dans l’acétone par ablation laser fs. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 12
Figure 12 : Images FESEM. (A) Nanoétoiles d’or sur le Si nu. (B-D) NPs d’or décorés sur différentes zones de Si ablaté par laser : (B) zone de Si non traité avec des NPs de Si redéposés, (C) dans le canal écrit à l’aide d’impulsions laser, et (D) au bord du canal avec des pointes. Cette figure a été reproduite avec la permission de Moram et al.34. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 13
Figure 13 : Spectres Raman et SERS de la molécule MB. Schéma de la collection de spectres Raman et SERS avec préparation et spectres Raman (MB : 100 mM, couleur rouge) et SERS (5 μM, couleurs vertes) typiques obtenus de la molécule MB Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 14
Figure 14 : Spectres SERS. (A) MB : 1,6 ppb, (B) NB : 1,8 ppb, et (C) thirame : 0,1 ppm en utilisant des NP d’or en forme d’étoile sur du Si linéaire et à motif croisé à l’aide d’une ablation laser fs dans l’air à différentes vitesses de balayage - 5 mm/s et 0,5 mm/s : (i) Si simple, (ii) Si_5 mm/s - Linéaire, (iii) Si_5 mm/s croisé, (iv) Si_0,5 mm/s linéaire et (v) Si_0,5 mm/s croisé. Les structures moléculaires MB, NB et thirame sont également représentées en médaillon des figures. (D) Histogramme de la variation d’intensité maximale importante à partir de 15 sites aléatoires des quatre substrats de Si avec des nanoétoiles Au. Cette figure a été reproduite avec la permission de Moram et al.34. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

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Discussion

Dans le nettoyage par ultrasons, le matériau à nettoyer est immergé dans un liquide et des ondes sonores à haute fréquence sont appliquées au liquide à l’aide d’un nettoyeur à ultrasons. Les ondes sonores provoquent la formation et l’implosion de minuscules bulles dans le liquide, générant une énergie et une pression locales intenses qui délogent et éliminent la saleté et d’autres contaminants de la surface du matériau. Lors de l’ablation laser, un polariseur Brewster et une combinaison de plaques demi-ondes ont été utilisés pour régler l’énergie laser ; Le polariseur est généralement placé avant la plaque demi-onde. Le polariseur, qui est monté sur une monture rotative, ne laisse passer que les ondes lumineuses d’une polarisation spécifique tout en réfléchissant les ondes lumineuses d’une polarisation perpendiculaire. La lumière qui traverse le polariseur pénètre ensuite dans la plaque demi-onde, qui fait pivoter la polarisation de la lumière transmise de 90°. Lorsque l’échantillon a été ablaté dans l’air, seuls les NS se sont formés. Cependant, lorsque l’échantillon a été solidement fixé au fond d’un bécher en verre propre, rempli du volume de liquide prévu et ablaté dans un liquide, des NP et des NS ont été formés. La partie de l’échantillon qui a été ablée par le laser contient des NS, tandis que le matériau ablaté dispersé dans le liquide environnant est constitué de NP. Le LAL est un processus dans lequel des impulsions laser ultracourtes sont dirigées vers un échantillon immergé dans un liquide, provoquant une vaporisation localisée du matériau. Il en résulte la formation de NP et de NS en une seule étape.

Le LAL présente plusieurs avantages par rapport aux autres méthodes de synthèse des NPs. Il est rapide, efficace, évolutif et sans tensioactif. De plus, le choix du solvant, la concentration du matériau cible dans le solvant et la présence de tensioactifs ou d’agents stabilisants peuvent également avoir un impact sur le processus de synthèse des NP et doivent donc être soigneusement examinés et contrôlés. Les paramètres de traitement et de laser (fluence laser, longueur d’onde, durée d’impulsion, taux de répétition) peuvent être ajustés pour contrôler la taille, la forme, la composition et les propriétés de surface des NP produits. Selon le matériau, la profondeur de pénétration et le seuil d’ablation du matériau dépendent de la longueur d’onde laser incidente. Tous les paramètres auront une incidence sur le rendement des NP et la morphologie des NS. Ce niveau de contrôle permet d’adapter les propriétés des nanomatériaux pour répondre aux exigences spécifiques de diverses applications. La couleur des NP métalliques est une indication primaire et simple de leur taille et de leur forme, ainsi que du matériau dont ils sont faits3. Lorsque la lumière interagit avec les NP métalliques, les électrons du métal absorbent et réémettent la lumière à des longueurs d’onde spécifiques, ce qui conduit à la couleur observée. La technique LAL utilise des cibles en vrac, qui sont moins chères que les sels utilisés dans la technique de chimie humide. De plus, des déchets dangereux sont générés au cours du processus chimique. Bien que la technique de la chimie humide ait un coût d’investissement initial inférieur à celui de la technique LAL, cette dernière nécessite un investissement initial plus élevé. Cependant, le coût du LAL diminue progressivement avec le temps et devient finalement moins cher en raison du coût inférieur des réactifs2. À l’heure actuelle, de nombreuses entreprises du monde entier ont lancé des startups axées sur la commercialisation de produits synthétisés à l’aide de la technologie laser. C’est le cas, par exemple, d’IMRA (États-Unis), de Particular GmbH (Allemagne) et de Zhongke Napu New Materials Co. Ltd. (Chine)35.

Récemment, de nombreuses études ont été menées pour obtenir des substrats SERS supérieurs en utilisant des techniques laser ultrarapides. Yu et al.8 ont récemment rapporté une plate-forme SERS hybride super-hydrophobe/hydrophile par ablation laser fs et ont détecté R6G avec une EF de ~1013. Dipanjan et al. ont rapporté la formation de structures de surface périodiques induites par laser (LIPSS) en forme d’échelle sur Ag-Au-Cu à l’aide de l’ablation par faisceau de Bessel fs et ont détecté avec succès deux traces explosives (tétryl et tétranitrate de pentaérythritol) (200 nM)31. Verma et al. ont utilisé la technique du LAL et fabriqué des NP Au-core@shell par LAL, et les ont utilisés dans la détection de traces explosives (PA-10-7 et AN-10-8)36. Verma et al. ont de nouveau utilisé des NP d’or déposés sur du Sn texturé au laser et ont détecté du PA à une concentration de 0,37 μM et de l’AN à 2,93 nM37.

Lors des mesures SERS, lorsqu’un petit volume de NPs est déposé sur un substrat et laissé à sécher, un processus hydrodynamique spontané se produit, créant un champ d’écoulement local à l’intérieur de la goutte. Ce flux transporte les NP jusqu’au bord de la goutte, ce qui entraîne un phénomène connu sous le nom d’effet « anneau de café », où un réseau dense de NP s’accumule au bord de la goutte, plutôt que d’être uniformément réparti partout. Bien que ce processus naturel puisse augmenter le nombre de points chauds, il peut également affecter la reproductibilité des signaux SERS8. Le dépôt de NP sur le substrat dépend de l’angle de contact entre le solvant et la surface. Le comportement de mouillage du substrat peut être modifié en réglant les paramètres de traitement laser dans la technique d’ablation laser. Mangababu et al.24 ont montré que l’angle de contact de l’ablation au laser GaAs peut varier dans différents liquides environnants, tels que l’eau distillée, l’éthanol et l’alcool polyvinylique. Une autre façon possible d’éviter l’effet d’anneau de café est de chauffer le substrat à 70 °C, par exemple, puis de mouler l’analyte pour qu’il sèche très rapidement.

L’EF est un facteur important pour caractériser les performances du substrat actif SERS, et il dépend de divers facteurs, tels que la morphologie du substrat, la géométrie moléculaire de l’analyte, la longueur d’onde d’excitation et la polarisation du laser d’excitation. La FE dépend également de l’orientation de la molécule d’analyte par rapport au champ local, de l’orientation du substrat par rapport à la direction du laser incident et de l’épaisseur de la couche d’analyte sur le substrat. L’EF est estimé à l’aide de la relation simple EF = (I SERS x I R)/(C R x C SERS), où I SERS est l’intensité du signal Raman avec NPs sur Si/FP, IR est l’intensité Raman sur Si/FP (sans NPs), C SERS est la concentration de l’échantillon sur des substrats NP (faible concentration), et C R est la concentration de l’échantillon (0,1 M) qui produit le signal Raman (IR)30,32,34. Une série d’étalons avec des concentrations connues de la molécule d’analyte est mesurée, et l’intensité du signal Raman du pic le plus important est tracée par rapport à la concentration. La pente de la ligne résultante représente la sensibilité de la mesure SERS et l’ordonnée à l’origine représente le signal de fond. La limite de détection (LOD), c’est-à-dire la plus petite concentration de l’analyte cible pouvant être détectée de manière fiable, est estimée à partir de la courbe d’étalonnage linéaire. À partir de là, nous pouvons estimer la sensibilité du substrat SERS préparé. Plusieurs mesures SERS ont été effectuées sur le même substrat à différents endroits et les valeurs d’intensité du pic le plus important ont été notées. La RSD est une métrique couramment utilisée pour caractériser la reproductibilité et la fiabilité des signaux SERS. Il est défini comme le rapport de l’écart-type (ET) d’un ensemble de mesures à la valeur moyenne exprimée en pourcentage. Le RSD est une mesure de la variabilité des signaux SERS et fournit des informations sur la précision des mesures. Une valeur RSD faible indique une précision et une reproductibilité élevées, tandis qu’une valeur RSD élevée indique une faible précision et une variabilité élevée30,34.

La production de NP en forme d’étoile à l’aide de LAL est difficile, mais il s’est avéré qu’ils sont des substrats SERS supérieurs en raison des multiples points chauds résultant des champs électromagnétiques puissants aux arêtes vives/pointes19. La plupart des études ont fait état de dépôts de NP métalliques de forme différente sur du Si/verre ordinaire38,39. Ici, nous avons montré une amélioration supplémentaire de la sensibilité des NP métalliques en utilisant du Si texturé au laser au lieu d’une surface Si ordinaire. Les substrats SERS hybrides, constitués de Si NS ablatés par laser et de nanoétoiles d’Au synthétisées chimiquement, ont montré ~21 fois plus d’amélioration du signal SERS par rapport au Si ordinaire. Même avec nos NP métalliques synthétisés par laser, il est possible d’obtenir de meilleures performances SERS en les déposant sur un matériau texturé au laser. Précédemment, nous avons démontré que les Ag NPs ablatés par laser couplés à des Ag NSs ablatés par laser pour la détection du 2,4-dinitrotoluène fournissaient un ordre d’incrément dans l’EF40. Ici, nous avons cherché à démontrer que les NS ablatés par laser peuvent être utilisés comme plate-forme pour les NP de toutes tailles et formes afin d’obtenir une meilleure sensibilité et reproductibilité. Nous croyons fermement qu’il existe d’énormes possibilités pour les NP et NS ultra-rapides ablatés par laser dans les applications de détection basées sur SERS 2,38,39,41,42,43.

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Disclosures

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Acknowledgments

Nous remercions l’Université d’Hyderabad pour son soutien dans le cadre du projet UOH/IOE/RC1/RC1-2016 de l’Institut de l’Éminence (IoE). La subvention IoE a été obtenue par notification F11/9/2019-U3(A) du MHRD, Inde. DRDO, Inde est reconnue pour son soutien financier par l’intermédiaire de l’ACRHEM [[#ERIP/ER/1501138/M/01/319/D(R&D)]. Nous remercions l’École de physique, UoH, pour la caractérisation FESEM et les installations de XRD. Nous tenons à exprimer notre sincère gratitude au professeur SVS Nageswara Rao et à son groupe pour leur précieuse collaboration, leurs contributions et leur soutien. Nous tenons à exprimer notre gratitude aux membres passés et présents du laboratoire, le Dr P Gopala Krishna, le Dr Hamad Syed, le Dr Chandu Byram, M. S Sampath Kumar, Mme Ch Bindu Madhuri, Mme Reshma Beeram, M. A Mangababu et M. K Ravi Kumar pour leur soutien et leur aide inestimables pendant et après les expériences d’ablation au laser en laboratoire. Nous saluons la collaboration fructueuse du Dr Prabhat Kumar Dwivedi, de l’IIT Kanpur.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Alloys Local goldsmith N/A 99% pure
Axicon Thorlabs N/A 100, IR range, AR coated, AX1210-B
Ethanol Supelco, India CAS No. 64-17-5
Femtosecond laser femtosecond  (fs)  laser amplifier  Libra HE, Coherent N/A Pulse duraction 50 fs;
wavelenngth 800 nm;
Rep rate 1 KHz;
Pulse Energy: 4 mJ
FESEM Carl ZEISS, Ultra 55 N/A
Gatan DM3 www.gatan.com Gatan Microscopy Suite 3.x
Gold target  Sigma-Aldrich, India 99% pure
HAuCl4.3H2O Sigma-Aldrich, India CAS No. 16961-25-4
High resolution translational stages Newport SPECTRA PHYSICS GMBI N/A M-443 High-Performance Low-Profile Ball Bearing Linear Stage;
The stage is only 1 inch high, and has 2 inches of travel. 
Micro Raman Horiba LabRAM N/A Grating-1,800 and 600 grooves/mm;
Wavelength of excitation-785 nm,632 nm, 532 nm, 325 nm;
Objectives 10x, 20x, 50 x, 100x;
CCD detector
Mirrors Edmund Optics N/A Suitable mirrors for specific wavelength of laser
Motion controller NEWPORT SPECTRA PIYSICS GMBI N/A ESP300 Controller-3 axes control
Origin www.originlab.com Origin 2018
Picosecond laser EKSPLA 2251 N/A Pulse duraction 30ps;
wavelenngth 1064 nm, 532 nm, 355 nm;
Rep rate 10 Hz;
Pulse Energy: 1.5 to 30 mJ
Planoconvex lens N/A focal length 10 cm
Raman portable i-Raman plus,  B&W Tek, USA N/A 785 nm, ~ 100 µm laser spot  fiber optic probe excitation and collection
Silicon wafer Macwin India Ltd. 1–10 Ω-cm, p (100)-type
Silver salt (AgNO3) Finar, India CAS No. 7783-90-6 
Silver target Sigma-Aldrich, India CAS NO 7440-22-4 99% pure
TEM Tecnai TEM N/A
TEM grids Sigma-Aldrich, India TEM-CF200CU Copper Grid Carbon Coated  200 mesh
Thiram Sigma-Aldrich, India CAS No. 137-26-8
UV Jasco V-670 N/A
XRD Bruker D8 advance N/A

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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Moram, S. S. B., Rathod, J., Banerjee, D., Soma, V. R. Ultrafast Laser-Ablated Nanoparticles and Nanostructures for Surface-Enhanced Raman Scattering-Based Sensing Applications. J. Vis. Exp. (196), e65450, doi:10.3791/65450 (2023).

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