Montage et caractérisation d’un système de spectroscopie Raman accordable en longueur d’onde utilisant des réseaux de Bragg comme filtre : application aux nanotubes de carbone

La spectroscopie Raman est un outil non destructif fort utile lors de la caractérisation de matériau. Cette technique consiste essentiellement à faire l’analyse de la diffusion inélastique de lumière par un matériau. Les performances d’un système de spectroscopie Raman proviennent en majeure partie de deux filtres ; l’un pour purifier la raie incidente (habituellement un laser) et l’autre pour atténuer la raie élastique du faisceau de signal. En spectroscopie Raman résonante (SRR), l’énergie (la longueur d’onde) d’excitation est accordée de façon à être voisine d’une transition électronique permise dans le matériau à l’étude. La section efficace d’un processus Raman peut alors être augmentée d’un facteur allant jusqu’à 106. La technologie actuelle est limitée au niveau des filtres accordables en longueur d’onde. La SRR est donc une technique complexe et pour l’instant fastidieuse à mettre en œuvre. Ce mémoire présente la conception et la construction d’un système de spectroscopie Raman accordable en longueur d’onde basé sur des filtres à réseaux de Bragg en volume. Ce système vise une utilisation dans le proche infrarouge afin d’étudier les résonances de nanotubes de carbone. Les étapes menant à la mise en fonction du système sont décrites. Elles couvrent les aspects de conceptualisation, de fabrication, de caractérisation ainsi que de l’optimisation du système. Ce projet fut réalisé en étroite collaboration avec une petite entreprise d’ici, Photon etc. De cette coopération sont nés les filtres accordables permettant avec facilité de changer la longueur d’onde d’excitation. Ces filtres ont été combinés à un laser titane : saphir accordable de 700 à 1100 nm, à un microscope «maison» ainsi qu’à un système de détection utilisant une caméra CCD et un spectromètre à réseau. Sont d’abord présentés les aspects théoriques entourant la SRR. Par la suite, les nanotubes de carbone (NTC) sont décrits et utilisés pour montrer la pertinence d’une telle technique. Ensuite, le principe de fonctionnement des filtres est décrit pour être suivi de l’article où sont parus les principaux résultats de ce travail. On y trouvera entre autres la caractérisation optique des filtres. Les limites de basses fréquences du système sont démontrées en effectuant des mesures sur un échantillon de soufre dont la raie à 27 cm-1 est clairement résolue. La simplicité d’accordabilité est quant à elle démontrée par l’utilisation d’un échantillon de NTC en poudre. En variant la longueur d’onde (l’énergie d’excitation), différentes chiralités sont observées et par le fait même, différentes raies sont présentes dans les spectres. Finalement, des précisions sur l’alignement, l’optimisation et l’opération du système sont décrites. La faible acceptance angulaire est l’inconvénient majeur de l’utilisation de ce type de filtre. Elle se répercute en problème d’atténuation ce qui est critique plus particulièrement pour le filtre coupe-bande. Des améliorations possibles face à cette limitation sont étudiées.

Spectroscopie Raman de complexes de fer(II) et fer(III) à transition de spin

Les transitions de spin provoquent des changements de propriétés physiques des complexes de métaux du bloc d les subissant, notamment de leur structure et propriétés spectroscopiques. Ce mémoire porte sur la spectroscopie Raman de composés du fer(II) et du fer(III), pour lesquels on induit une transition de spin par variation de la température ou de la pression. Trois complexes de fer(II) de type FeN4(NCS)2 avec des comportements de transition de spin différents ont été étudiés : Fe(Phen)2(NCS)2 (Phen : 1,10-Phénanthroline), Fe(Btz)2(NCS)2 (Btz : 2,2’-bi-4,5-dihydrothiazine) et Fe(pyridine)4(NCS)2. Un décalage de l’ordre de 50 cm-1 est observable pour la fréquence d’étirement C-N du ligand thiocyanate des complexes FeN4(NCS)2, lors de la transition de spin induite par variation de la température ou de la pression. Il est possible d’utiliser cette variation de fréquence afin de tracer un profil de transition. Quatre complexes isomères de type FeL222(CN)2 (L222 : 2,13- diméthyl-6,9-dioxa-3,12,18-triazabicyclo[12.3.1]-octadéca-1(18),2,12,14,16-pentaène) ont également été étudiés. Un taux de décalage de l’ordre d’environ 0,03 cm-1/K est observé pour plusieurs bandes du complexe FeL222(CN)2. La bande à 1415 cm-1 disparaît à plus haute température au profit d’une bande à 1400 cm-1. Pour le complexe de chiralité R,R’, les bandes à 1008 cm-1 et 1140 cm-1 se déplacent vers des fréquences plus élevées à partir de 223 K. Les transitions de spin sont observées dans certains complexes de fer(III). Dans cette famille de composés, le complexe Fe(EtDTC)3 (EtDTC : N,N-diéthyldithiocarbamate) a été étudié . Aucun changement n’a été observé dans l’intensité des bandes d’étirement fer-soufre sur les spectres à température variable. Cependant, la bande Fe-S associée à la forme bas-spin à 530 cm-1 augmente en intensité au profit de la bande associée à la forme haut-spin à 350 cm-1 lors des mesures à haute pression, passant d’un rapport d’amplitude de 50% à pression ambiante à 80% à 21 kbar. Un dédoublement de la bande d’étirement C-N du ligand dithiocarbamate à 1495 cm-1 est également observé à des pressions supérieures à 5 kbar. Une comparaison des changements des fréquences de vibration de tous les complexes est effectuée.

Détection de protéines par diffusion Raman exaltée par effet de pointe (TERS)

La concentration locale des messagers chimiques sécrétés par les cellules peut être mesurée afin de mieux comprendre les mécanismes moléculaires liés à diverses maladies, dont les métastases du cancer. De nouvelles techniques analytiques sont requises pour effectuer ces mesures locales de marqueurs biologiques à proximité des cellules. Ce mémoire présentera le développement d’une nouvelle technique basée sur la réponse plasmonique sur des leviers AFM, permettant d’étudier les réactions chimiques et biologiques à la surface des leviers grâce au phénomène de résonance des plasmons de surface (SPR), ainsi qu’à la diffusion Raman exaltée par effet de pointe (TERS). En effet, il est possible de localiser l’amplification du signal Raman à la pointe d’un levier AFM, tout comme le principe de la diffusion Raman exaltée par effet de surface (SERS) basée sur la diffusion de la lumière par des nanoparticules métalliques, et permettant une large amplification du signal Raman. La surface du levier est recouverte d’une nano-couche métallique d’or, suivi par des réactions biologiques pour l’immobilisation d’un récepteur moléculaire, créant ainsi un biocapteur sur la pointe du levier. Une détection secondaire utilisant des nanoparticules d’or conjuguées à un anticorps secondaire permet également une amplification du signal SPR et Raman lors de la détection d’antigène. Ce mémoire démontrera le développement et la validation de la détection de l’immunoglobuline G (IgG) sur la pointe du levier AFM.Dans des projets futurs, cette nouvelle technique d’instrumentation et d’imagerie sera optimisée grâce à la création d’un micro-détecteur protéique généralement adapté pour l’étude de la communication cellulaire. En intégrant le signal SPR à la microscopie AFM, il sera alors possible de développer des biocapteurs SPR couplés à une sonde à balayage, ce qui permettra d’effectuer une analyse topographique et de l’environnement chimique d’échantillons cellulaires en temps réel, pour la mesure des messagers moléculaires sécrétés dans la matrice extracellulaire, lors de la communication cellulaire.

Raman spectra of polymethyl methacrylate optical fibres excited by a 532 nm diode pumped solid state laser

Polymethyl methacrylate (PMMA) optical fibres are fabricated by a preform drawing process. The Raman spectra of PMMA fibres are recorded using a diode pumped solid state laser emitting at 532 nm and a CCD-spectrograph in the 400–3800 cm−1 range. The variation of the Raman intensity with the length of the optical fibre is studied. Investigations are carried out on the variation of FWHM of the Raman peak at 2957 cm−1 with the length of the optical fibre and pump power. The differential scattering cross section and gain coefficient of the Raman peak at 2957 cm−1 in PMMA are calculated in relation to that of toluene.

Raman spectra of polymethyl methacrylate optical fibres excited by a 532 nm diode pumped solid state laser

Polymethyl methacrylate (PMMA) optical fibres are fabricated by a preform drawing process. The Raman spectra of PMMA fibres are recorded using a diode pumped solid state laser emitting at 532 nm and a CCD-spectrograph in the 400–3800 cm−1 range. The variation of the Raman intensity with the length of the optical fibre is studied. Investigations are carried out on the variation of FWHM of the Raman peak at 2957 cm−1 with the length of the optical fibre and pump power. The differential scattering cross section and gain coefficient of the Raman peak at 2957 cm−1 in PMMA are calculated in relation to that of toluene

Multipole modes and spin features in the Raman spectrum of nanoscopic quantum rings

We present a systematic study of ground state and spectroscopic properties of many-electron nanoscopic quantum rings. Addition energies at zero magnetic field (B) and electrochemical potentials as a function of B are given for a ring hosting up to 24 electrons. We find discontinuities in the excitation energies of multipole spin and charge density modes, and a coupling between the charge and spin density responses that allow to identify the formation of ferromagnetic ground states in narrow magnetic field regions. These effects can be observed in Raman experiments, and are related to the fractional Aharonov-Bohm oscillations of the energy and of the persistent current in the ring

Measurement and simulation of anisotropy in the Infrared and Raman spectra of beta-FeSi2 single crystals

In this paper we show that the orthorhombic phase of FeSi2 (stable at room temperature) displays a sizable anisotropy in the infrared spectra, with minor effects in the Raman data too. This fact is not trivial at all, since the crystal structure corresponds to a moderate distortion of the fluorite symmetry. Our analysis is carried out on small single crystals grown by flux transport, through polarization-resolved far-infrared reflectivity and Raman measurements. Their interpretation has been obtained by means of the simulated spectra with tight-binding molecular dynamics.

X-ray diffraction, thermal analysis, and Raman scattering study of K2BeF4 and comparation to other member of the (beta)-K2SO4 family with ferroelectric -paraelectric transition

Thermal analysis, powder diffraction, and Raman scattering as a function of the temperature were carried out on K2BeF4. Moreover, the crystal structure was determined at 293 K from powder diffraction. The compound shows a transition from Pna21 to Pnam space group at 921 K with a transition enthalpy of 5 kJ/mol. The transition is assumed to be first order because the compound shows metastability. Structurally and spectroscopically the transition is similar to those observed in (NH4)2SO4, which suggests that the low-temperature phase is ferroelectric. In order to confirm it, the spontaneous polarization has been computed using an ionic model.

Raman and infrared spectral analysis of thallium niobyl phosphates: Tl2NbO2PO4, Tl3NaNb4O9(PO4)2 and TlNbOP2O7

Raman and infrared spectra of Tl2NbO2PO4, Tl3NaNb4O9(PO4)2 and TlNbOP2O7 are reported. The observed bands are assigned in terms of vibrations of NbO6 octahedra and PO4 tetrahedra in the first two compounds and in terms of NbO6 octahedra and P2O7 4− anion in the third compound. The NbO6 octahedra in all the title compounds are found to be corner-shared and distorted. The higher wavenumber values of the ν1 (NbO6) mode and other stretching modes indicate that the NbO6 octahedra in them are distorted in the order TlNbOP2O7 > Tl2NbO2PO4 > Tl3NaNb4O9(PO4)2. The splitting of the ν3 (PO4) mode indicates that PO4 tetrahedra is distorted more in Tl2NbO2PO4 than in Tl3NaNb4O9(PO4)2. The symmetry of P2O7 4− anion in TlNbOP2O7 is lowered. Bands indicate that the P–O–P bridge in the above compound has a bent P–O–P bridge configuration

Raman spectra of KTP crystal in an in situ electric field

Raman spectra of the KTP single crystal are recorded in electric fields (dc and ac) applied along the polar axis c. Spectra with the laser beam focused near the cathode end, anode end and the centre of the crystal are recorded. The cathode end of the crystal develops a spot ‘grey track’ where the laser beam is focused after a lapse of 5 h from the application of a dc electric field of 38 V/cm. The spectra recorded at the cathode end after the application of field show variations in intensity of bands. A new band appears at 177 cm21. Changes in band intensities are explained on the basis of changes in polarizability of the crystal due to the movement of K1 ions along the polar axis. K1 ions accumulate at the cathode end, where the ‘Grey track’ formation occurs. The intensity enhancement observed for almost all bands in the ac field is attributed to the improvement of crystalline quality.

Raman and FTIR studies of the structural aspects of Nasicon-type crystals; AFeTi(PO4)3 [A ¼ Ca, Cd]

Raman and FTIR spectra of CaFeTi(PO4)3 and CdFeTi(PO4)3 are recorded and analyzed. The observed bands are assigned in terms of vibrations of TiO6 octahedra and PO4 tetrahedra. The symmetry of TiO6 octrahedra and PO4 tetrahedra is lowered from their free ion symmetry. The presence of Fe3+ ion disrupts the Ti–O–P–O–Ti chain and leads to the distortion of TiO6 octrahedra and PO4 tetrahedra. The PO4 3 tetrahedra in both crystals are linearly distorted. The covalency bonding factor of PO4 3 polyanion of both the crystals are calculated from the Raman spectra and compared to that of other Nasicon-type systems. The numerical values of covalency bonding factor indicates that there is a reduction in redox energy and cell voltage and is attributed to strong covalency of PO4 3 polyanionin

Infrared and polarized Raman spectra of Cu(HSeO3)2 • H20 single crystal

Infrared and polarized Raman spectra of Cu(HSeO3) 2 - H20 single crystal have been recorded and analysed. The appearance of non-degenerate Se-OH stretching vibrations in the ~x: and ~y: polarizations of Raman spectra indicate distortion of the HSeO~- ion in the Cu(HSeO3)2 - H20 crystal. The low wavenumber values obtained for the symmetric and asymmetric stretching vibrations of the HSeO 3 ion are consistent with the strong hydrogen bonding and the influence of Jahn-Teller distortion as predicted in X-ray diffraction data. The shifting of the stretching and bending vibrations of the hydroxyl groups and water molecules from the free state values also confirms the strong hydrogen bonding in this crystal. Broad bands observed for both stretching and bending regions become sharp in the Raman spectrum recorded at 77 K. A doublet appears for the Se-OH stretching mode at this temperature indicating the settling of protons in an ordered position and the absence of intrabond proton tunnelling

Raman and FTIR spectra of [Cu(H2O)6](BrO3)2 and [Al(H2O)6](BrO3)3 · 3H2O

Raman and FTIR spectra of [Cu(H2O)6](BrO3)2 and [Al(H2O)6](BrO3)3 · 3H2O are recorded and analyzed. The observed bands are assigned on the basis of BrO3 − and H2O vibrations. Additional bands obtained in the region of 3 and 1 modes in [Cu(H2O)6](BrO3)2 are due to the lifting of degeneracy of 3 modes, since the BrO3 − ion occupies a site of lower symmetry. The appearance 1 mode of BrO3 − anion at a lower wavenumber (771 cm−1) is attributed to the attachment of hydrogen to the BrO3 − anion. The presence of three inequivalent bromate groups in the [Al(H2O)6](BrO3)3 · 3H2O structure is confirmed. The lifting of degeneracy of 4 mode indicates that the symmetry of BrO3 − anion is lowered in the above crystal from C3v to C1. The appearance of additional bands in the stretching and bonding mode regions of water indicates the presence of hydrogen bonds of different strengths in both the crystals. Temperature dependent Raman spectra of single crystal [Cu(H2O)6](BrO3)2 are recorded in the range 77–523 K for various temperatures. A small structural rearrangement takes place in BrO3 − ion in the crystal at 391 K. Hydrogen bounds in the crystal are rearranging themselves leading to the loss of one water molecule at 485 K. This is preceded by the reorientation of BrO3 − ions causing a phase transition at 447 K. Changes in intensities and wavenumbers of the bands and the narrowing down of the bands at 77 K are attributed to the settling down of protons into ordered positions in the crystal

FT-IR and FT-Raman study of Nasicon type phosphates, ASnFe(PO4)3 [A=Na2, Ca, Cd]

FT-Raman and FT-IR spectra of ASnFe(PO4)3 [A=Na2, Ca, Cd] were recorded and analyzed. The bands were assigned in terms of the vibrational group frequencies of SnO6 octahedral and PO4 tetrahedral. The spectral analysis shows that the symmetry of corner shared octahedral (SnO6) and the tetrahedral (PO4) are lowered from their free ion symmetry state. The presence of Fe3+ ions disrupts the S–N–O–S–N chain in the structure. This causes distortion of SnO6 and PO4 in the structure of all the compounds. Also it is seen that there are two distinct PO4 tetrahedra of different P–O bond lengths. One of these tetrahedra is linearly distorted in all the title compounds. The PO4 frequencies and bond lengths are calculated theoretically and are in agreement with the experimental values. The presence of PO4 polyanion in the structure can reduce the redox energy and hence reduce the metal oxygen covalency strength in the structure

Temperature dependent polarized Raman spectra of nonaaqualanthanoid (Pr) single crystal

Polarized Raman spectral changes with respect to temperature were investigated for Pr(BrO3)3·9H2O single crystals. FTIR spectra of hydrated and deuterated analogues were also recorded and analysed. Temperature dependent Raman spectral variation have been explained with the help of the thermograms recorded for the crystal. Factor group analysis could propose the appearance ofBrO3 ions at sites corresponding to C3v (4) and D3h (2). Analysis of the vibrational bands at room temperature confirms a distorted C3v symmetry for the BrO3 ion in the crystal. From the vibrations of water molecules, hydrogen bonds of varying strengths have also been identified in the crystal. The appearance υ1 mode of BrO3− anion at lower wavenumber region is attributed to the attachment of hydrogen atoms to the BrO3− anion. At high temperatures, structural rearrangement is taking place for bothH2Omolecule and BrO3 ions leading to the loss ofwater molecules and structural reorientation of bromate ions causing phase transition of the crystal at the temperature of 447 K.