Graphene giúp nâng cấp phương pháp tán xạ Raman tăng cường bề mặt

Màu tía, SiO₂; màu hơi xanh, graphene; màu vàng, các điện cực Au và các chấm. (a) Ảnh chụp toàn bộ mẫu; (b, c) các chấm vàng trên SiO₂. (Ảnh: ACS Nano)

>>>Graphene – mạng nguyên tử hoàn hảo: Giải Nobel Vật lí 2010

>>>Graphene - Chất liệu phẳng nhất thế giới

Tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS) là một phương pháp mạnh nhận dạng các phân tử ở những hàm lượng rất thấp – một kĩ thuật tỏ ra rất hữu dụng trong chẩn đoán y khoa, pháp lí, và nhận dạng những loại thuốc mới. Nhưng bất chấp sự thành công của nó, các nhà khoa học đã phải vật lộn với việc tìm hiểu cơ sở vật lí ẩn sau cách thức SERS hoạt động.

Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu đã phát hiện thấy họ có thể làm tăng cường tương tác giữa ánh sáng và vật chất bằng cách khai thác các dao động tập thể của các electron mặt gọi là plasmon mặt. Các trường ánh sáng được tăng cường khi chúng cộng hưởng với những plasmon này, dẫn tới SERS và những kĩ thuật tăng cường bề mặt khác. Thật vậy, các nhà khoa học đã thành công trong việc tăng cường các tín hiệu tán xạ Raman lên tới 10¹⁴ lần khi các phân tử nằm trong những “điểm nóng” cấu trúc nano ngẫu nhiên trên các bề mặt kim loại.

Tuy nhiên, các nhà khoa học không hiểu trọn vẹn những cấu trúc nano nào gây ra những điểm nóng tốt nhất hoặc làm thế nào tạo ra các chất SERS có sự tăng cường đồng đều trên những diện tích lớn. Đây là vì đa số các hệ SERS đã nghiên cứu trước đây đều dựa trên các cấu trúc nano ngẫu nhiên, chúng có các tính chất biến thiên từ thí nghiệm này sang thí nghiệm khác. Sự không đồng nhất này còn làm cho việc so sánh định lượng giữa lí thuyết và thí nghiệm tỏ ra khó khăn.

Để khắc phục những vấn đề này, Andrea Ferrari và các đồng nghiệp tại trường Đại học Cambridge cùng với các nhà nghiên cứu tại trường Đại học Manchester và Đại học Ioannina đã nghiên cứu SERS bằng các cấu trúc nano kim loại lớn lên trên graphene. Là một tấm carbon chỉ dày một nguyên tử, graphene được chọn vì nó cung cấp những bề mặt lớn, đồng đều, và hầu như không có khiếm khuyết. Hơn nữa, phổ Raman của graphene đã được người ta biết rõ.

Đội nghiên cứu đã tạo ra những ma trận vuông gồm các chấm vàng trên graphene với khoảng cách giữa các chấm là 320 nm. Các chấm dày khoảng 80 nm và có bán kính 210 nm ở một số ma trận và 140 nm ở những ma trận khác. Sau đó, các nhà nghiên cứu so sánh phổ Raman của graphene trần với phổ graphene có các chấm, và nhận thấy sự tăng cường đáng kể khi có mặt các chấm.

Để tìm hiểu tốt hơn vì sao sự tăng cường ấy lại xảy ra, đội nghiên cứu đã lập mô phỏng hệ của họ bằng cách xét các chấm kim loại có kích cỡ khác nhau đặt trên graphene. Sau đó, họ giải hệ phương trình Maxwell cho mỗi mẫu, sử dụng “phương pháp miền thời gian chênh lệch hữu hạn”.

Ferrari và các đồng nghiệp đã quan sát thấy sự tăng cường đáng kể của tín hiệu Raman và nhận thấy sự tăng cường đó tỉ lệ nghịch với lũy thừa mười của khoảng cách giữa graphene và tâm của hạt nano kim loại. “Những kết quả này có thể giúp chúng ta hiểu rõ hơn cơ sở vật lí SERS của các chất liệu 2D”, Ferrari nói. “Công trình trên cũng chứng tỏ các cấu trúc nano plasmon tính có thể tăng cường sự hấp thụ và tán xạ ánh sáng từ các chất liệu 2D, như graphene, cái có thể có các ứng dụng trực tiếp cho các bộ dò ánh sáng và các bộ cảm biến quang”.

Thừa thắng trên những kết quả này, đội nghiên cứu hiện sẽ cố gắng tối ưu hóa chất nền SERS để thu được sự tăng cường còn lớn hơn nữa bằng cách sử dụng các kim loại và các hình dạng chấm khác nhau. “Chúng tôi cũng sẽ thực hiện các cấu trúc nano plasmon tính trên những dụng cụ khác nhau chế tạo từ graphene”, Ferrari tiết lộ.

“Chúng tôi đoan chắc rằng nghiên cứu này sẽ trở thành một tham khảo quan trọng trong lĩnh vực SERS và sẽ kích thích các nghiên cứu tiếp theo”, Andrea Ferrari nói.

Nguồn: physicsworld.com