Коэффициенты эффективности поглощения наночастиц меди

Размещено на http://www.allbest.ru/

Коэффициенты эффективности поглощения наночастиц меди

Газенаур Н.В.

Исследование свойств наночастиц меди показало их ранозаживляющие, регенерирующие и бактерицидные свойства. Медь (вместе с серебром и золотом) играет важную метаболическую роль в обмене веществ всех живых организмов [1]. В [2-4] обоснована возможность использования наночастиц благородных металлов в составе композитов на основе прозрачной матрицей взрывчатого вещества в качестве капсюлей оптических детонаторов. Металлы группы железа [5-7] и алюминия [8-9], где максимальные коэффициенты эффективности поглощения (Qabs) не превышают 2.5, для наночастиц меди [10], серебра [11-12] и золота [13] Qabs превышает в максимуме 6 [10-13]. Следовательно, сечение поглощения этих наночастиц более чем в 6 раз превышает геометрическое. Для повышения селективной чувствительности прикладных устройств с участием наночастиц с большими значениями коэффициента эффективности поглощения играет позитивную роль [14]. Поглощение света является первичным актом инициирования взрывного разложения как вторичных [15-16], так и инициирующих взрывчатых веществ [17-19]. Во втором случае возможны цепно-тепловые режимы протекания процесса [20-21]. С другой стороны, нагревание матрицы может привести к деградации потребительных свойств спектрально чувствительных покрытий. Для расширения возможностей использования наночастиц меди в оптических системах необходимо рассчитать спектральные зависимости коэффициентов эффективности поглощения в широком диапазоне и оценить области размеров, имеющих максимальные при данной длине волны Qabs.

Экспериментальное решение данной задачи даже для одной длины волны [22-24] и одного радиуса наночастиц [25] является чрезвычайно трудоемкой проблемой. Поэтому коэффициенты эффективности поглощения сферическими наночастицами радиуса R рассчитывались в рамках теории Ми по методике, приведенной в работах [22-25]. При расчетах коэффициента эффективности поглощения необходим комплексный показатель преломления, который в свою очередь, также зависит от длины волны падающего излучения [26]. Так как комплексный показатель преломления состоит из двух частей, действительной (n) и мнимой (k), то при каждой энергии кванта света (hг) и соответствующей ему длине волны (л) каждая часть комплексный показатель преломления приведена в таблице отдельно.

Таблица. Значения энергии кванта света (hг) в эВ, соответствующей ему длине волны (л) в нм, действительной (n) и модуля мнимой (k) частей комплексного показателя преломления металла на данной длине волны по данным [26], рассчитанные максимальные значения показателя поглощения меди (Qabs) и соответствующий ему радиус (R)

Рассчитаны для различных квантов света в диапазоне энергий от 20 эВ до 0.2 эВ зависимости коэффициента эффективности поглощения лазерного излучения от радиуса наночастиц меди в матрице с показателем преломления m0 =1 (вакуум). Все кривые, как и для исследованных в работах [2-16, 22-25, 27-31] металлов имеют абсолютный максимум. Амплитуда максимума сильно зависит от энергии кванта. При энергии кванта 5.6 эВ Qabs = 2.2377 при R = 25.2 нм. Это максимальное значение Qabs во всем исследованном диапазоне длин волн. Для кванта света с энергией 0.2 эВ (длина волны почти 6.2 мкм) Qabs уменьшается почти в 50 раз и наблюдается для наночастиц почти в 50 раз больших (969.5 нм). При радиусах наночастиц меньших R кривая Qabs(R) спадает до нуля с соблюдением закона Рэлея. При больших радиусах происходит выход на плато, при некоторых длинах волн - с ярко выраженными осцилляциями. Зависимости Qabs(hг) для наночастиц меди, как и серебра, алюминия, золота, хрома и других металлов имеют тенденцию к понижению при уменьшении энергии кванта света [2-16, 22-25, 27-31]. Однако в диапазоне от 20 эВ до 5.6 эВ Qabs несколько повышается, достигая максимума, называемого плазмонным резонансом [28]. В диапазоне энергий 7 - 2.2 эВ Qabs имеет достаточно большое значение, достигая локального максимума при энергии кванта 3.4 эВ (при радиусе 2.1461 нм). В районе энергий квантов 2 эВ происходит резкое уменьшение Qabs. Осцилляции зависимости Qabs(R) наблюдаются вблизи плазмонного резонанса. Наличие локальных максимумов поглощения на зависимости Qabs(R) в спектральной области около 2.5 эВ является существенной особенностью наночастиц меди. В исследованных в работах [5-9, 14-16, 22-25] оптических свойствах наночастиц алюминия и металлов группы железа в этом спектральном диапазоне проявляется один небольшой максимум и практически отсутствуют выраженные локальные максимумы. Эту особенность наночастиц меди необходимо учитывать при оптимизации исполнительных устройств. Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю профессору А.В. Каленскому.

лазерный излучение плазмонный резонанс

Список литературы

1. Ряснянский А.И., Palpant B. и др. Нелинейные оптические свойства наночастиц золота диспергированных в различных оптически прозрачных матрицах // Физика твердого тела. - 2009. - Т. 51. - № 1. - С. 52-56.

2. Ananyeva M.V., Kriger V.G. и др. Comparative analysis of energetic materials explosion chain and thermal mechanisms // Известия высших учебных заведений. Физика. - 2012. - Т. 55. - № 11-3. - С. 13-17.

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

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

5. Каленский А.В., Ананьева М.В. 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.

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

7. 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.

8. 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.

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

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

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

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

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

14. 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.

15. Каленский А.В., Звеков А.А. 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.

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

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

18. 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.

19. Каленский А.В., Булушева Л.Г. и др. Моделирование граничных условий при квантовохимических расчетах азидов металлов в кластерном приближении //Журнал структурной химии. - 2000. - Т. 41. - № 3. - С. 605-608.

20. Гришаева Е.А., Каленский А.В. и др. Неизотермическая модель разветвленной цепной реакции взрывного разложения энергетических материалов // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. - 2013. -Т. 10. - № 1. - С. 44-49.

21. Гришаева Е.А., Кригер В.Г. и др. Механизм цепно-теплового взрыва энергетических материалов // Известия ВУЗов. Физика. - 2013. - Т. 56. - № 9-3. - С. 159-161.

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

23. Kalenskii A.V., Kriger V.G. and others The Microcenter Heat Explosion Model Modernization // Известия ВУЗов. Физика. - 2012. - Т. 55. - № 11-3. - С. 62-65.

24. Адуев Б.П., Нурмухаметов Д.Р. и др. Взрывчатое разложение ТЭНа с нанодобавками алюминия при воздействии импульсного лазерного излучения различной длины волны // Химическая физика. - 2013. - Т. 32. - № 8. - С. 39-42.

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

26. Handbook of Optical Constants of Solids / ed. by E.D. Palik. - Academic, 1998.

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

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

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

30. Лукатова С.Г. Расчет коэффициентов эффективности поглощения для композитов золото - ТЭН // Международное научное издание Современные фундаментальные и прикладные исследования. - 2014. - № 1(12). - С. 95-98.

31. Кригер В.Г., Каленский А.В. и др Механизмы взрывного разложения энергетических веществ при инициировании лазерным излучением //Известия высших учебных заведений. Физика. - 2011. - Т. 54. - № 1 (3). - С. 18 - 23.

Аннотация

В работе рассчитаны максимальные значения коэффициентов эффективности поглощения наночастиц меди в спектральном диапазоне от ближнего УФ (20 эВ) до ИК (0.2 эВ), и соответствующие им радиусы.

Ключевые слова: Теория Ми, коэффициент эффективности поглощения, наночастицы меди.

Размещено на Allbest.ru