Nanoscale analysis of forensic vacuum metal deposition.

Dove, Aaron (2026). Nanoscale analysis of forensic vacuum metal deposition. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, 204 p.

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Résumé

Le dépôt des métaux sous vide forensique (fVMD) est utilisé depuis le début des années 1970, avec grand succès. La technique fonctionne en évaporant les métaux sous vide, qui se déposent sur une surface, créant un contraste qui révèle des traces latentes. Le fVMD peut révéler, d’une manière très sensible, des empreintes latentes dans des circonstances très difficiles, là où d’autres techniques auraient probablement failli. Cependant, le mécanisme précis par lequel ce contraste est généré reste inconnu. En utilisant des techniques et modèles modernes de la science des matériaux et des surfaces, ce travail réévaluera ces modèles.

La première étape a consisté en une revue de littérature des modèles actuels. Trois ont été identifiés. Je les appelle le modèle de la condensation, le modèle de l'absorption et le modèle de la morphologie. Cependant, aucun n'a été prouvé de façon définitive et il existe des scénarios où ces modèles sont insuffisants pour expliquer le phénomène du fVMD. J'ai donc décrit ces modèles, les scénarios dans lesquelles ils fonctionnent, et les scénarios dans lesquels ils ne fonctionnent pas.

Ensuite, j’ai développé une nouvelle méthode de préparation d'échantillons. Cette méthode réduit la méthode fVMD à ses composants essentiels, utilisant seulement un composant comme la matrice et un dépôt monométallique, qui permet un dépôt d'échantillons contrôlé et hautement répétable comparé aux méthodes opérationnelles standards. Cela s'est avéré essentiel à l'expérience.

L'étape suivante a utilisé la microscopie à force atomique, la microscopie électronique en transmission, la spectrophotométrie, et la microscopie en champ noir pour caractériser les propriétés optiques et physiques des nanoparticules déposées. Les résultats ont montré qu'il existait une différence entre la diffusion et l'absorption de la lumière par les nanoparticules sur le contrôle et sur l'échantillon.

Avec ces données, j’ai utilisé la modélisation DDSCAT pour montrer avec précision les composantes de diffusion et d'absorption des nanoparticules. Les résultats ont montré que les contrôles ont été presque entièrement de l’absorption, tandis que les échantillons contenaient à la fois des profils de diffusion et d'absorption. La DDSCAT a aussi montré que la taille et la forme des nanoparticules étaient les principaux contributeurs.

À partir des résultats, j'ai pu tirer plusieurs conclusions. Premièrement, la composante d'absorption des nanoparticules est due à la résonance localisée des plasmons de surface. C'est une nouvelle perspective sur le mécanisme du dépôt différentiel et de l'induction du contraste. Deuxièmement, les nanoparticules sont à la surface de la matrice, pas absorbées par celle-ci. Cela va à l'encontre des modèles précédents et constitue la première preuve définitive que cela se produit. Troisièmement, la distribution des nanoparticules sur la surface indique que le mécanisme probable de différenciation est la diffusion d’adatomes sur la surface. Quatrièmement, la différence d'énergie de surface entre les surfaces cause une différence de taille et de forme des nanoparticules. Cinquièmement, la différence de taille et de forme des nanoparticules entre les surfaces provoque une interaction différente avec la lumière incidente.

À partir de là, je propose un nouveau modèle pour le mécanisme de développement du contraste utilisant la fVMD : le modèle de diffusion d’adatomes. C'est un modèle nouveau qui va changer la façon dont la fVMD sera utilisée à l'avenir.



Forensic vacuum metal deposition (fVMD) has been used since the early 1970s, with great success. The technique works by evaporating metals in a vacuum. The metals deposit on the surface, generating a contrast that reveals fingerprints. fVMD can sensitively reveal fingerprints in very difficult circumstances, where other techniques would likely have failed. However, the precise mechanism by which this contrast is generated remains unclear. Using modern material and surface science techniques and principles, this thesis takes a novel, fundamental scientific approach to the question.

I first performed a literature review of the current literature theories. Three are identified. They are termed the condensation model, absorption model, and the morphology model. However, none had been definitively proven and there are scenarios where the current literature theories cannot be correct. I therefore outlined the theories, in what scenarios the theories work, and in what scenarios the theories do not work.

In the next step, I develop a novel sample preparation method. This method pares the fVMD method down to its essential components, using a single component matrix and mono-metal deposition, and allows for a controlled, highly repeatable sample deposition compared to standard operational methods. This proved essential to the experiment.

The subsequent step used atomic force microscopy, transmission electron microscopy, spectrophotometry, and dark-field microscopy to characterize the optical and physical characteristics of the deposited nanoparticles. The results showed there was a differential scattering and absorption profile between the negative control and the positive sample.

Using this data, DDSCAT modeling was performed to accurately show the scattering and absorption components of the nanoparticles. The results showed the negative controls were almost purely absorption-mediated, while the positive samples contained both scattering and absorption profiles, with the size and shape of the nanoparticles being the primary contributors.

From the results, I could draw several conclusions. First, the absorption component of the nanoparticles is due to localised surface plasmon resonance. This is a novel insight into the mechanism of differential deposition and the inducement of contrast. Second, the nanoparticles are on the surface of the matrix, not absorbed into it. This runs counter to the previous literature theories and is the first definitive proof that this occurs. Third, the distribution of nanoparticles on the surface indicates the likely mechanism of differentiation is adatom diffusion across the surface. Fourth, the difference in surface energy between the surfaces causes a difference in nanoparticle size and shape. Fifth, the difference in size and shape of the nanoparticles between the surfaces causes a different interaction with incident light.

From this, I propose a novel model for the mechanism of contrast development using fVMD: the adatom diffusion model. This is a novel model which will change the way fVMD is used in the future.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Ruediger, Andreas
Co-directeurs de mémoire/thèse:	Daoust, Benoit
Mots-clés libres:	Résonance plasmonique de surface localisée ; nanoparticules ; l'énergie de surface ; dépôt de métaux sous vide (forensique) ; empreintes digitales ; DDSCAT ; modèle de la diffusion des adatomes ; Localised surface plasmon resonance ; nanoparticles ; surface energy ; forensic vacuum metal deposition ; fingerprints ; DDSCAT ; adatom diffusion model
Centre:	Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt:	03 nov. 2026 16:46
Dernière modification:	03 nov. 2026 16:46
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/17792

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