L’immobilisation des nanoparticules sur un substrat solide fournit un moyen permettant d’amener les nanoparticules à proximité les unes des autres. Une des méthodes consiste à fonctionnaliser le substrat pour ancrer des particules d’Au ou d’Ag [100, 101]. Dans cette ap- proche, les substrats de silice sont fonctionnalisés par silanisation avec du (3-mercaptopropyl) trimethoxysilane (MPMS) et les particules d’Au ou d’Ag sont préparées par la réduction res- pectivement de HAuCl4 ou AgNOl3 par le triacétate de sodium. Les substrats sont par la suite immergés dans les solutions colloïdales de nanoparticules métalliques qui viennent s’ancrer à la surface. O. Péron et al. ont utilisés de tels systèmes SERS à base de nanoparticules d’Au
ancrées sur une surface de Si pour détecter des "hydrocarbures aromatiques polycycliques" dans l’eau de mer artificielle [100]. La figureI.27.a montre la micrographie MEB d’un substrat après immersion dans une solution de nanoparticules d’Au. Cette image montre une distribution dense de nanoparticules dont la taille se situe entre 40 et 100 nm. La figure I.27.b montre les spectres Raman de molécules de naphtalène dans de l’eau de mer artificielle pour différentes concentrations de solution (de 0 à 10 ppm), déposées sur une surface de Si fonctionnalisée avec des nanoparticules d’Au. Une autre technique consiste à déposer des nanoparticules métalliques en solution colloïdale par séchage ou évaporation de solvant sur un substrat solide. L’attrait des substrats obtenus par cette méthode réside dans la variété de morphologies accessibles mais également dans la facilité du processus de fabrication. Cependant, le contrôle limité de la taille et de la forme des nanoparticules de même que de la distribution de ces paramètres n’en fait pas une méthode de choix pour des mesures SERS reproductibles [102].
Figure I.27– (a) Micrographie MEB de nanoparticules d’Au "ancrées" sur un substrat de silice fonction- nalisé par silanisation avec du MPMS et (b) spectres Raman de molécules de naphtalène dans de l’eau de mer artificielle pour différentes concentrations de solution (de 0 à 10 ppm) déposées sur la surface dont la micrographie MEB est présentée en (a), à la longueur d’onde d’excitation λ = 632,5 nm. Images reproduites de la référence [100].
Des études récentes montrent que des nanoparticules non pas immobilisées mais implantées dans un milieu diélectrique représentent des substrats SERS efficaces [103–105]. Parmi les méthodes de fabrications de ces systèmes, on peut citer l’implantation ionique [106,107] et laser [108] ou le traitement thermique de couches minces métalliques [109]. Récemment, Zhao et al. ont montré que des substrat SERS à base de nanoparticules d’Ag enterrées dans un substrat de silice via la méthode de la diffusion assistée par champ électrique présentent des facteurs d’exaltation de
l’ordre de 106 et permettent la détection de molécules de rhodamine 6G dans une solution de concentration 10−9 M (cf. figureI.28) [104].
Figure I.28– Spectres Raman de molécules de rhodamine 6G à plusieurs concentrations de solution, sur des substrats de silice avec des nanoparticules d’Ag enterrées, à la longueur d’onde d’excitation λ = 532 nm. Image extraite de la référence [104].
Enfin, une approche qui permet de contrôler les différents paramètres critiques des nanoparti- cules sur des substrats solides, consiste à déposer ou faire croître des nanoparticules par dépôt physique en phase vapeur (PVD) sur des surfaces diélectriques ou semiconductrices. Ces der- nières peuvent être préalablement nanostructurées, et ainsi servir de guide à la croissance des particules. Ranjan et Facsko ont ainsi rapporté l’élaboration de réseaux de nanoparticules d’Ag par PVD en incidence oblique sur des substrats de Si préalablement nanostructurés par faisceau d’ions basse énergie [110]. La figure I.29.a. montre une surface de Si gravée avec des ions Ar+ d’énergie 500 eV à un angle d’incidence de 67° par rapport à la normale, conduisant à la for- mation de rides unidirectionnelles avec une période d’environ 35 nm. En utilisant cette surface comme guide de croissance, Ranjan et Facsko ont obtenu des particules d’Ag ellipsoïdales orga- nisées sous la forme de chaînes reproduisant la période des rides sous-jacentes (cf. figureI.29.b). Ces systèmes ont été testés en tant que substrats SERS avec des molécules de rhodamine 6G et les spectres Raman obtenus sont présentés sur la figure I.29.c. On peut voir sur cette figure la dépendance de la réponse SERS à la polarisation du champ incident ainsi qu’à l’organisation des particules. Le même type d’approche a été utilisée par Zaccaria et al. pour la fabrication de nanoparticules d’AgxAu1−x auto-organisées sur des surface facettées de LiF [46]. Les résul- tats de cette étude montrent qu’il existe une composition optimale pour laquelle la réponse
Figure I.29– (a) Image AFM d’une surface de Si gravée avec des ions Ar+d’énergie 500 eV et de fluence
1017cm−2 à un angle d’incidence de 67° par rapport à la normale. (b) Micrographie MEB d’un réseau de
nanoparticules d’Ag déposées par PVD en incidence oblique (70° par rapport à la normale) sur la surface dont l’image AFM est présentée en (a). (c) Spectres Raman de molécules de rhodamine 6G adsorbées sur la surface dont l’image MEB est présentée en (b) (en rouge et en bleu) et sur une surface de Si recouverte avec des particules d’Ag non-organisées (en noir), à la longueur d’onde d’excitation λ = 532 nm. Images extraites de la référence [110].
en SERS est maximisée (cf. figure I.30). Ces dernières années, différents travaux utilisant une approche semblable ont été publiés [46, 111–116]. De façon générale, ils mettent en évidence que cette méthode d’élaboration, simple et rapide, permet d’avoir des substrats SERS stables et homogènes avec une grande zone active et un contrôle précis des paramètres des nanoparti- cules qui les constituent, et notamment de la distance inter-particule dans la direction parallèle aux chaînes (dont dépend la densité de points chauds). Néanmoins, les particules n’étant pas recouvertes, ces substrats ne sont ni nettoyables ni réutilisables. D’autre part, dans la plupart des cas, l’excitation en Raman est limitée à une seule longueur d’onde, ce qui rend difficile voire discutable l’interprétation des résultats.
Dans ce contexte, des travaux préliminaires ont été réalisés par l’équipe Physique et Propriétés des Nanostructures de l’Institut Pprime dans le cadre de la thèse d’E. Vandenhecke sur des nanoparticules d’Ag enterrées dans une matrice d’alumine, sous forme d’assemblées organisées et désordonnées [117]. Les mesures SERS ont été effectuées avec des molécules de bipyridine
pour différentes longueurs d’onde excitatrices en collaboration avec B. Humbert de l’Institut des Matériaux Jean Rouxel. Les premiers résultats prometteurs obtenus montrent que les molécules de bipyridine adsorbées à proximité d’une assemblée de chaînes périodiques de nanoparticules d’Ag présentent une activité SERS nettement plus grande qu’une assemblée désordonnée de particules (cf. figureI.31.a). En outre, compte-tenu de la très forte décroissance du champ élec- tromagnétique à travers la couche diélectrique de recouvrement, l’épaisseur de cette dernière est un paramètre critique à considérer (cf. figureI.31.b).
Figure I.30– (a) Étapes de fabrication de nanoparticules d’AgxAu1−xauto-organisées sur une surface
facettée de LiF. L’utilisation d’un masque mobile pendant les dépôts successifs de l’Au (étape b) et de l’Ag (étape c) conduit à l’obtention d’un gradient de composition dans la direction y. (b) Images AFM du réseau de nanoparticules obtenu pour différentes composition (la barre d’échelle en rouge représente 50 nm). (c) Spectres Raman de molécules d’acide 4-mercaptobenzoïque obtenus pour différentes compositions, à la longueur d’onde d’excitation λ = 532 nm. Les couleurs de spectres correspondent aux zones de la même couleur sur les images AFM en (b). Images reproduites de la référence [46].
Figure I.31 – (a) Spectres Raman de molécules de bipyridine (concentration 10−6 M) adsorbées à
proximité d’une assemblée isotrope et d’une assemblée organisée de nanoparticules d’Ag recouvertes par 5 nm de Si3N4. (b) Exaltation du signal Raman de la bipyridine à 1490 cm−1 en fonction de l’épaisseur
de la couche de recouvrement dans le cas d’une assemblée organisée de nanoparticules d’Ag recouvertes d’Al2O3. Résultats extraits de la thèse d’E. Vandenhecke [117].