Спектральные закономерности коэффициентов эффективности поглощения наночастиц серебра

Размещено на http://www.allbest.ru/

Спектральные закономерности коэффициентов эффективности поглощения наночастиц серебра

Одинцова Оксана Витальевна

Студент 5 курса, Кафедра химии твердого тела, Химический факультет Кемеровский государственный университет, Кемерово, Россия

Аннотация

наночастица серебро гармоника преломление

В работе рассчитаны спектральные закономерности коэффициентов эффективности поглощения наночастиц серебра в матрице с коэффициентом преломления 1.54 в интервале длин волн 532-1064 нм. Показано, что при переходе от первой ко второй гармонике неодимового лазера на зависимости коэффициента эффективности поглощения от радиуса наночастицы появляются выраженные локальные максимумы и минимумы.

Ключевые слова: Наночастицы серебра, коэффициенты эффективности поглощения; оптический детонатор, тэн

Оптические свойства наночастиц металлов в последнее время нашли широкое применение в спектрально-селективных покрытиях для поглощения солнечной энергии, в катализаторах химических реакций, для антимикробной стерилизации и др. [1] . Вместе с медью, золотом и рядом других металлов, серебром играет ключевую метаболическую роль в обмене веществ всех живых организмов. В некоторых практических приложениях процессы нагревания светом наночастиц металла играют негативную роль. Повышение температуры способно привести к деградации и механическому разрушению изделия. В спектрально-селективных покрытиях и оптических детонаторах [2-4] поглощающие свойства наночастиц являются позитивными [5]. Решение экологических задач требует введение использования оптических детонаторов как на инициирующих [6-7], так и на бризантных взрывчатых веществах [8-9]. Нагрев наночастиц металла лазерным импульсом приводит к инициированию самоускоряющегося режима разложения взрывчатого материала прозрачной матрицы. Оптимизация состава капсюлей в первую очередь идет по пути поиска композита с минимальным порогом срабатывания [10]. Для этого необходима максимизация коэффициента эффективности поглощения [11-12].

В работах [13-14] показана перспективность использования наночастиц серебра в составе капсюлей оптических детонаторов. В отличие от никеля [15], хрома [16], кобальта [17], золота [18] и алюминия [19-20], где максимальные коэффициенты эффективности поглощения (Qabs) не превышают 2.5, для наночастиц серебра Qabs более 6 [21]. Ранее экспериментально и теоретически показано, что добавки наночастиц металлов [22-24] позволяют в десятки раз снизить критическую плотность энергии лазерного инициирования пентаэритритатетранитрата (ТЭНа), имеющего коэффициент преломления (m0) равный 1.54. Введение наночастиц металлов в матрицу бризантного взрывчатого вещества приводит к пониженную чувствительности к удару и нагреванию [25]. Это затрудняет случайный (несанкционированный) взрыв и является дополнительным положительным следствием .

Цель работы: определить спектральные закономерности коэффициентов эффективности поглощения наночастиц серебра в матрице с коэффициентом преломления 1.54 в диапазоне длин волн 532-1064 нм.

Экспериментальное решение поставленной задачи даже для одной длины волны и радиуса наночастиц сопряжено с большими экспериментальными трудностями [26]. В работе [27] показано, что расчет оптических характеристик наночастиц корректно проводить в рамках теории Ми. Для расчетов коэффициентов эффективности экстинкции (Qext) и рассеяния (Qsca) света использовались выражения [27-29]:

Коэффициент эффективности поглощения света рассчитывался как разность коэффициентов эффективности экстинкции и рассеяния (Qabs = Qbxt- Qsca) [27-29]. Данные величины равны отношению сечений экстинкции, рассеяния и поглощения к геометрическому сечению шара (рR2). Величины в скобках, определяющие вклады электрических Fcl и магнитных Fbl колебаний в каждый из коэффициентов эффективности, имеют вид:

где - безразмерный радиус наночастицы, m0- показатель преломления среды (1.54). Коэффициенты с1 и b1 в (3) определяются из граничных условий на поверхности наночастицы. Основным параметром расчета является комплексный показатель преломления метала (mi), значения которого для отдельных длин волн оценены в [21].

Рассчитаны для различных длин волн зависимости коэффициента эффективности поглощения лазерного излучения от радиуса наночастиц серебра в матрице с m0=1.54. Зависимости коэффициентов эффективности поглощения Qabs от радиуса наночастиц серебра в матрице ТЭНа для длин волн света 1064 и 532 нм (первая и вторая гармоники неодимового лазера) в диапазоне радиусов наночастиц серебра (R) 20 - 150 нм приведена на рис. 1. На первой гармоники неодимового лазера для серебра значение mi = 0.1623-7.175i, на второй гармонике mi = 0.0525-3.1549i [21].

Все кривые имеют абсолютный максимум. Амплитуда максимума сильно зависит от природы металла. При меньших радиусах кривая спадает до нуля, причем в пределе r>0 выполняется закон Рэлея. При больших радиусах происходит выход на плато, в некоторых случаях с осцилляциями. Зависимости Qabs(R) для наночастиц серебра, как и для алюминия, золота, хрома и других металлов имеют глобальный максимум (Qabsmax) при радиусе Rmaxabs.

Однако зависимости Qabs(R) наночастиц серебра для первой и второй гармоник имеют существенные отличия:

1. Для первой гармонике координаты максимума Qabsmax = 0.0695 при Rmax = 99.4 нм. Для второй коэффициент поглощения значительно выше Qabsmax = 0.68 при Rmax = 35.8 нм. При уменьшении длины волны в два раза Qabs увеличивается почти в 10 раз.

Это является признаком проявления плазмонного резонанса на длинных волн, близких ко второй гармонике неодимового лазера [27].

2. Для второй гармонике наблюдается череда ярко выраженных локальных максимумов и минимумов Qamin = 0.168 при Rmin = 63.3 нм, Qamax = 0.264 при Rmax = 82.0 нм, Qamin = 0.138 при Rmin = 107.6 нм, Qamax = 0.196 при Rmax = 127.5 нм. Зависимость Qabs(R) характеризуется глобальным максимумом. При меньших и больших радиусах кривая спадает без локальных максимумов и минимумов.

Рис. 1. Зависимости коэффициентов эффективности поглощения от радиуса наночастиц серебра в матрице тэна для длин волн света 1064 нм (сплошная) и 532 нм (пунктир)

Формирование отличий зависимостей Qabs(R) для первой и второй гармоник можно проиллюстрировать расчетом Qabs(R) для промежуточных длин волн 600 нм и 800 нм, отображенных на рис. 2. Для длины волны 800 нм значение mi = 0.090-5.45i, для 600 нм mi = 0.06-3.75i [21]. Положение глобальных максимумов коэффициентов эффективности поглощения демонстрируют отмеченные выше особенности.

Для 800 нм координаты глобального максимума смещаются в сторону уменьшения оптимального радиуса, при этом амплитуда увеличивается: Qabsmax = 0.088 при Rmax = 70.4 нм. Для 600 нм Qabsmax = 0.278 при Rmax = 45.7 нм. При уменьшении длины волны с 600 до 800 нм Qabs увеличивается более чем в 3 раза. Для 800 нм после глобального максимума локальные максимумы и минимумы начинают проявляться, но они не выражены (почти совпадают по амплитуде). На 600 нм наблюдаются уже ярко выраженные локальные экспремумы Qamin = 0.103 при Rmin = 77.6 нм, Qamax = 0.138 при Rmax = 99.4 нм, Qamin = 0.09 при Rmin = 129.7 нм.

Рис. 2 Зависимости Qabs(R) для длин волн 600 нм (сплошная) и 800 нм (пунктир)

Наличие локальных максимумов поглощения на зависимости Qabs(R) в спектральной области технически важной второй гармоники неодимового лазера является существенной особенностью наночастиц серебра. В исследованных в работах [15-17, 22-24] оптических свойствах наночастиц алюминия и металлов группы железа на второй гармонике неодимового лазера проваляется один глобальный максимум и практически отсутствуют выраженные локальные максимумы. Эту особенность наночастиц серебра необходимо учитывать при оптимизации оптических детонаторов. Потребительские свойства оптического детонатора на основе ТЭНа и наночастиц серебра могут быть оптимальными вблизи первого локального максимума с радиусом наночастиц около 80 нм. Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю профессору А.В. Каленскому.

Список литературы

1. Ряснянский А.И., Palpant B., Debrus S., Pal U., Степанов А.Л. Нелинейные оптические свойства наночастиц золота диспергированных в различных оптически прозрачных матрицах // Физика твердого тела. - 2009. - Т. 51. - № 1. - С. 52 - 56.

2. Ананьева М.В., Каленский А.В. Инициирование взрывного разложения микрокристаллов азида серебра //Молодой ученый. - 2014. - № 19. - С. 52-55.

3. Ananyeva M.V., Kalenskii A.V. The size effects and before-threshold mode of solid-state chain reaction // Журнал СФУ. Серия: Химия. - 2014. - Т. 7.- №4. - С. 470-479.

4. Боровикова А.П., Каленский А.В., Зыков И.Ю. Пространственно-временные характеристики волны горения в азиде серебра / А.П. Боровикова, // Аспирант. - 2014. - №3. - С. 37-42.

5. Kalenskii A.V., Kriger V.G., Zvekov A.A. et al The Microcenter Heat Explosion Model Modernization // Известия ВУЗов. Физика. - 2012. - Т. 55. - № 11-3. - С. 62-66.

6. Кригер В.Г., Каленский А.В., Звеков А.А. и др. Определение пространственных характеристик волны цепной реакции в азиде серебра // Химическая физика. - 2014. - Т. 33. № 8. - С. 22-29.

7. Ананьева М.В., Каленский А.В. Математическое моделирование взрывного разложения энергетических материалов // Молодой ученый. - 2014. - №21. - С. 1-6.

8. Ананьева М.В., Звеков А.А., Зыков И.Ю. и др. Перспективные составы для капсюля оптического детонатора // Перспективные материалы. - 2014. - № 7. - С. 5-12.

9. Никитин А.П. Расчет критических параметров инициирования теплового взрыва тэна с наночастицами меди на разных длинах волн// Современные фундаментальные и прикладные исследования. - 2013. - № 4 (11). - С. 68-75.

10. Адуев Б.П., Ананьева М.В., Звеков А.А. и др. Микроочаговая модель лазерного инициирования взрывного разложения энергетических материалов с учетом плавления// Физика горения и взрыва. - 2014. - Т. 50. - № 6. - С. 92-99.

11. Никитин А.П. Эффективность поглощения лазерного излучения наноразмерными включениями металлов в зависимости от длины волны// Современные фундаментальные и прикладные исследования. - 2012. - №4 (7) - С. 81-86.

12. Газенаур Н.В., Зыков И.Ю., Каленский А.В. Зависимость показателя поглощения меди от длины волны // Аспирант. - 2014. -№5. - С. 89-93.

13. Зыков И. Ю., Одинцова О.В. Спектральная зависимость коэффициентов эффективности поглощения наночастиц серебра в прозрачной матрице// Аспирант. - 2014. - №5. - С. 94-97.

14. Одинцова О.В. Расчет взрывной чувствительности композитов пентаэритритатетранитрат-серебро к действию лазерного импульса //Современные фундаментальные и прикладные исследования. - 2014. - №4 (14). - С. 38-43.

15. Каленский А.В., Ананьева М.В., Никитин А.П. Оптические характеристики наночастиц никеля в прозрачных матрицах // Современные научные исследования и инновации. - 2014. - № 11-1(43). - С. 5-13.

16. Никитин А.П. Расчет параметров инициирования взрывного разложения тэна с наночастицами хрома // Современные фундаментальные и прикладные исследования. - 2013. - №2 (9). - С. 29-34.

17. Каленский А.В., Ананьева М.В. Коэффициенты эффективности поглощения наночастиц кобальта в прозрачных средах // Справочник. Инженерный журнал с приложением. - 2015. - № 5 (218). - С. 56-60.

18. Лукатова С.Г., Одинцова О.В. Взрывное разложение композитов на основе пентаэритриттетранитрата с наночастицами золота // Вестник КемГУ. - 2014. - № 4-2(60). - С. 218-222.

19. Kalenskii A.V., Ananyeva M.V. Spectral regularities of the critical energy density of the pentaerythriol tetranitrate -aluminium nanosystems initiated by the laser pulse // Наносистемы: физика, химия, математика. - 2014. - Т. 5. - № 6. - С. 803-810.

20. Каленский А.В., Зыков И.Ю., Ананьева М.В. и др. Взрывная чувствительность композитов тэн-алюминий к действию импульсного лазерного излучения // Вестник КемГУ. - 2014. - № 3-3(59). - С. 211-217.

21. Одинцова О.В. Расчет коэффициентов эффективности поглощения наночастиц серебра в пентаэритритатетранитрате // Современные фундаментальные и прикладные исследования. - 2014. - №3(14). С. 40-44.

22. Каленский А.В., Ананьева М.В., Звеков А.А. и др. Спектральная зависимость критической плотности энергии инициирования композитов на основе пентаэритриттетранитрата с наночастицами никеля// Фундаментальные проблемы современного материаловедения. - 2014. - Т. 11. - № 3. - С. 340-345.

23. Каленский А.В., Звеков А.А., Ананьева М.В. и др Влияние длины волны лазерного излучения на критическую плотность энергии инициирования энергетических материалов // Физика горения и взрыва. - 2014. - Т. 50. - № 3. - С. 98-104.

24. Ананьева М.В., Каленский А.В., Гришаева Е.А. и др. Кинетические закономерности взрывного разложения ТЭНа, содержащего наноразмерные включения алюминия, кобальта и никеля // Вестник КемГУ. - 2014. - № 1-1(57). - С. 194-200.

25. Адуев Б.П., Нурмухаметов Д.Р., Звеков А.А. и др. Модификация свойств взрывчатых материалов добавками нанодисперсных энергоемких металлических частиц //Химия в интересах устойчивого развития. - 2015. - Т. 23. - № 2. - С. 183-192.

26. Адуев Б.П., Нурмухаметов Д.Р., Белокуров Г.М. и др. Исследование оптических свойств наночастиц алюминия в тетранитропентаэритрите с использованием фотометрического шара // ЖТФ. - 2014. - Т. 84. - № 9. - С. 126 - 131.

27. Каленский А.В., Звеков А.А., Никитин А.П. и др. Особенности плазмонного резонанса в наночастицах различных металлов // Оптика и спектроскопия. - 2015. - Т. 118. - № 6. - С. 1012-1021.

28. Звеков А.А., Каленский А.В., Никитин А.П. и др. Моделирование распределения интенсивности в прозрачной среде с Френелевскими границами, содержащей наночастицы алюминия // Компьютерная оптика. - 2014. - Т. 38. - № 4. - С. 749-756.

29. Zvekov A.A., Ananyeva M.V., Kalenskii A.V., Nikitin A.P. Regularities of light diffusion in the composite material pentaery thriol tetranitrate - nickel // Наносистемы: физика, химия, математика. - 2014. - Т. 5. - № 5. - С. 685-691.

Размещено на Allbest.ru