Спектральные зависимости коэффициента эффективности поглощения наночастиц кобальта

Размещено на http://www.allbest.ru/

№54-2, 10.11.2016

Физико-математические науки

Спектральные зависимости коэффициента эффективности поглощения наночастиц кобальта

Иващенко Гюнель Эюб кызы, магистр, студент

Кемеровский государственный университет

Выполнена интерполяция спектральных зависимостей комплексного показателя преломления кобальта в диапазоне длин волн от 400 нм до 1200 нм, в том числе на длинах волн первой второй гармоники неодимового лазера. Рассчитаны спектральные зависимости максимальных значений коэффициентов эффективности поглощения и радиусов им соответствующих в прозрачных матрицах с показателем преломления 1, 1.5, 1.75, 2, 2.25. Показано, что спектральные зависимости оптимальных радиусов наночастиц в различных матрицах идеально описываются линейными зависимостями. В матрице с показателем преломления 2.25 начинает проявляться плазмонный пик поглощения на длине волны 450 нм.

Похожие материалы

Исследование спектральной зависимости показателя поглощения ванадия

Вероятностный характер взрывного разложения нанокомпозитов pent -- ni лазерным импульсом

Взрывное разложение нанокомпозитов pent -- ni и pent -- co лазерным импульсом

Резонансное поглощения наночастиц никеля

Оптические свойства наночастиц золота в прозрачных матрицах на длине волны 1064 нм

КОЭФФИЦИЕНТ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПОГЛОЩЕНИЯ, ОПТИЧЕСКИЙ ДЕТОНАТОР СПЕКТРАЛЬНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ, ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА, НАНОЧАСТИЦЫ КОБАЛЬТА

преломление кобальт неодимовый лазер

Экспериментальному и теоретическому исследованию оптических свойств наночастиц металлов в прозрачных матрицах в последнее время уделяется много внимания [1-7]. На оптические свойства металлических наночастиц влияют как природа металла и матрицы, так и размерные, морфологические и структурные характеристики наночастиц [1-7]. Наночастицы подгруппы железа широко используются в медицине и биологии, входят в состав магнитных жидкостей, широко используются в переключающих устройствах нелинейной оптики, для создания оптических детонаторов, снижающих риск несанкционированных взрывов [7-9]. В настоящее время разрабатываются составы капсюлей оптических детонаторов на основе прозрачных в видимом свете прессованных таблеток вторичных взрывчатых веществ (PETN и гексоген) с наночастицами алюминия [6, 10], кобальта [11], никеля [7-9, 12], олова [13], ванадия [14], благородных металлов [15, 16] и меди [4, 17]. Характеристики оптимальных составов капсюлей определяются в первую очередь оптическими свойствами наночастиц [3-17] и композитов на их основе [18, 19]. И те и другие свойства зависят от коэффициента эффективности поглощения (Qabs), который определяется комплексным показателем преломления (mi). Поглощающие свойства наночастиц кобальта в различных матрицах выполнены в [20]с использованием значений mi, представленных в работе [21].

Целью настоящей работы является оценка mi по последним литературным данным [22], расчет и сравнение спектральных зависимостей максимальных значений Qabs наночастиц кобальта в прозрачных матрицах с различными коэффициентами преломления (ma) и радиусов им соответствующих, полученных с использования различных источников комплексного показателя преломления кобальта [21, 22].

В настоящее время разрабатываются экспериментальные методики определения mi наночастиц металлов из обработки спектров поглощения, прохождения и отражения при различных массовых долях наночастиц металлов [23]. Однако пока методика не отработана, очень трудозатратна, и имеет недостаточную точностью (около 10 %) даже для определения оптических характеристик наночастиц одного металла (алюминия) одного радиуса (50 нм) в одной матрице (PETN) на одной длине волны (л) (643 нм) [24]. Выполнение нескольких последовательных процессов, характеризующихся набором недостаточно точно измеримых параметров, снижает точность полученных величин [17-20, 23, 24].

В работах [25, 26] сформулирована методика оценки mi металлов. Для кобальта в [22] приведены значения mi в диапазоне от ультрафиолетового до инфракрасного излучения. Нам понадобятся данные mi для длин волн 300 нм, 365 нм, 400 нм, 450 нм, 500 нм, 550 нм, 600 нм, 650 нм, 700 нм, 800 нм, 900 нм, 1000 нм, 1200 нм и 1400 нм. Действительная часть комплексного показателя преломления образует массив [22]: [1.06 1.10 1.25 1.4 1.56 1.71 1.86 2.00 2.18 2.56 2.93 3.21 3.77 4.45]; мнимая [22]: [2.29 2.76 3.05 3.22 3.43 3.66 4.02 4.23 4.47 4.92 5.28 5.57 6.12 6.52].

Рисунок 1. Спектральные зависимости действительных (сплошные кривые и знаки “*”) и мнимых (пунктир и знаки “+”) частей mi кобальта в диапазоне от 400 нм до 1200 нм по данным [16]. Точки - расчет, линии - аппроксимация сплайном.

Современная методика оценки mi для необходимых длин волн основана на использовании совокупности всех значений этой величины для близкого спектрального диапазона [25, 26]. Метод является интерполяционным и имеет хорошую точность, мы им воспользуемся в настоящей работе. Проведем расчет mi по программе [26]. Результат полученных значений mi представлен на рис. 1 и в таблице 1.

Отличие с данными работы [21] достаточно существенное. Так для длины волны 400 нм полученное в настоящей работе значение mi = 1.25 - 3.05i, в котором действительная часть больше почти на 5 % а модуль мнимой части - более чем на процент (1.2 - 3.0i) [21, 22]. На основной гармонике неодимового лазера (1064 нм) полученное значение mi = 3.38-5.75i, в котором действительная часть меньше, а мнимая (определяющая эффективность поглощения пленок металла) по модулю больше (3.75 - 5.46i).

В целом, кроме отмеченной длины волны 400 нм, действительные части комплексного показателя преломления в более позднем источнике существенно (до 10 %) меньше, следовательно этот параметр для кобальта в источнике [21] переоценен. Модули мнимых частей из разных источников отличаются менее предсказуемо. До длины волны 550 нм эти параметры практически равны, в красной области спектра модули mi недооценены в более старом источнике [21], причем отличия могут быть достаточно ощутимы: например, вблизи 1000 нм отличие достигает 15%. Использование графической информации повышает наглядность рассчитанных величин [27], мы видим отсутствие экстремумов и особенностей. Зависимости как действительной части mi (Rmi в таблице 1), таки и модуля мнимой части (-Imi в таблице 1), близки к линейным. Однако для использования полученных результатов в последующих работах цифровой формат величин значений более удобен. Оцененные значения mi представлены во втором (Rmi) и третьим (-Imi) столбце таблицы 1.

С использованием определенных значений mi на каждой длине волны рассчитаны зависимости коэффициентов эффективности поглощения от радиуса наночастиц кобальта в гексогене (показатель преломления 1.5) [28]. Методика расчета оптических свойств наночастиц металлов в прозрачной матрице разработана в работах [3-20, 29-31] и успешно апробирована на наночастицах алюминия, кобальта, никеля, меди, олова, ванадия и др. металлов в различных матрицах.

Таблица 1 - Спектральные зависимости действительных (Rmi) и модуля мнимых (-Imi) частей комплексного показателя преломления (по данным [22]), максимальных значений коэффициента эффективности поглощения по данным [21] (Q max1), [22] (Q max2) и их относительное отличие в процентах (dQ max), оптимального для поглощения радиуса наночастиц кобальта по данным [21] (Rmax1), [22] (Rmax 2) и их относительное отличие в процентах (dRmax).

Использована программа для расчета оптических свойств, описанная в [32, 33]. Для каждой длины волны Qabs имеет максимум, положение которого Rmax и величина Qmax определяется длиной волны света. Такой характер зависимости Qabs от радиуса наночастиц достаточно типичен независимо от матрицы [16-20]. Как и для наночастиц кобальта [20], так и алюминия [5? 6], никеля [7-9, 12], меди [4, 17], золота [16], серебра [15] и др. металлов, при радиусах наночастицы меньше Rmax Qabsспадает до нуля по закону Рэлея.

Значения Qmax приведены в таблицы 1 в двух вариантах: по данным [21] (Q max1), и по данным работы [22] (Q max2). Отмеченные различия комплексных показателей преломления [21. 22] приводит к различным (до 10%) значениям максимального коэффициента эффективности поглощения, представленных в 6 столбце таблицы 1. Наибольшие различия проявляются вблизи 1000 нм, где максимально отличались используемые значения комплексных показателей преломления. Значения Q max с увеличением длины волны непрерывно уменьшаются, что свидетельствует об отсутствии в матрице гексогена плазмонного пика поглощения наночастиц кобальта. Это существенное отличие исследуемого металла не только от серебра, золота, где поглощение в максимуме достигает 16 и 6 [34], но и от меди, наночастицы которого формируют плазмонный пик поглощения вблизи второй гармоники неодимового лазера [15 - 17]. До длины волны 700 нм Q max по различным источникам отличаются незначительно (менее 3%), однако при больших длинах волн поглощение, рассчитанное по значениям mi по современному источнику на 6 - 9 % меньше, чем по [21].

Отмеченные особенности должны проявляются в спектрах пропускания и отражения композитов с этими наночастицами. Точности оптических работ (10%) [23, 24] достаточно для оценки mi наночастиц кобальта современными методиками.

Для оптимизации исполнительных устройств на основе прозрачной матрицы и наночастиц металлов наибольшее значение имеют оптимальные размерные характеристики наночастиц, при этом абсолютные значения Qabs играют второстепенную роль [3-19]. Сравним значения Rmax наночастиц кобальта в матрице гексогена с коэффициентом преломления (1.5) по данным [21] (Rmax1 - столбец 7 таблицы 1), [22] (Rmax 2 - столбец 8 таблицы 1 и зависимость, отмеченная «+» на рис. 2) и их относительное отличие в процентах (dRmax - столбец 9 таблицы 1).

Рисунок 2. Спектральные зависимости радиуса R наночастиц кобальта в матрицах с показателями преломления: 1 - квадраты, 1.5 - крестики, 1.75 - кружки, 2 - плюсики, 2.25 - снежинки. Сплошные линии являются их аппроксимациями линейными МНК.

Несмотря на значительные различия комплексных показателей преломления и коэффициентов эффективности поглощения, спектральная значения Rmax по различным источникам практически совпали. Различия менее 1.5 % при абсолютных значениях менее 40 нм определяют разницу менее 1 нм, которую пока невозможно экспериментально контролировать для радиусов наночастиц в прозрачной матрице. Поэтому на рис. 2 нет данных по оптимальным радиусам, рассчитанным по данным [21] (они совпадают).

С увеличением длины волны не только относительная, но и абсолютная разница в значениях оптимальных для поглощения радиусов наночастиц по данным различных источников сокращается. Так для длины волны основной гармоники неодимового лазера 1064 нм (100.9 и 100.4) составляет менее 0.5 % и 0.5 нм. Поэтому практически совпадающие значения Rmax, полученные из другого источника mi [21], не были помещены на рис. 2. В спектральном диапазоне от 400 нм 1200 нм значения Rmax наночастиц кобальта существенно (почти в 4 раза) увеличиваются, хорошо описываясь линейной зависимостью. Рассмотрим этот эффект, одновременно с зависимостями Qmax(л), для наночастиц кобальта в различных прозрачных матрицах с использованием представленных в таблице 1 значениям mi.

В матрице с показателем преломления 1 (вакуум) зависимость Qmax(л) наночастиц кобальта представлена массивом: [1.4266 1.3382 1.2444 1.1929 1.1560 1.0309 0.9787 0.9296 0.8881 0.8572 0.8337 0.8143 0.7971 0.7809 0.7653 0.7611 0.7507 0.7374 0.7259], в котором первому элементу соответствует значение Qmax на длине волны 400 нм. С увеличением длины волны до 1200 нм коэффициент эффективности поглощения существенно (практически в 2 раза) уменьшается без экстремумов и особенностей. Рассчитанные значения Rmax в этих условиях приведены на рис. 2 (верхняя кривая с маркером точек квадрат при показателе преломления матрицы 1). Эта зависимость идеально описывается линейной зависимостью с параметрами: 0.1575 и -10.29. При увеличении длины волны с 400 нм до 1200 нм значения Rmax увеличиваются более чем в 3 раза.

Оптических свойств наночастиц кобальта в прозрачной матрице с показателем преломления 1.5 (гексоген) обсуждены ранее. Параметры линейной зависимости 0.1072 и -13.4676. Тангенс угла наклона уменьшился более чем в 1.5 раза, что хорошо проявляется на рис. 2 при сравнении отмеченных квадратами и крестиками прямых. Сравнение свободных слагаемых рационально провести позже при анализе всех расчетов.

Массив, представляющий зависимость Qmax(л) наночастиц кобальта в матрице с показателем преломления 1.75 (ионные инициирующие взрывчатые вещества) имеет вид: [2.9090 2.7083 2.5041 2.3879 2.3165 2.0835 1.9481 1.8115 1.6955 1.6058 1.5352 1.4797 1.4352 1.3969 1.3611 1.3516 1.3280 1.2978 1.2712]. Значения Qmax существенно увеличились по сравнению с наночастицами кобальта в вакууме и гексогене. Так для второй гармоники неодимового лазера (512 нм) увеличение существенное 1.2 в вакууме, 2 - в гексогене и 2.4 - в рассматриваемых матрицах. С увеличением длины волны до 1200 нм коэффициент эффективности поглощения по прежнему уменьшается без экстремумов и особенностей с 2.9 до 1.2. На рис. 2 представлены значения Rmax (маркеры точек - кружки, показатель преломления матрицы 1.75). Параметры интерполируемой линейной зависимости: 0.0925 (угловой коэффициент продолжает уменьшаться) и -14.4418 (свободное слагаемое также уменьшатся). Общая тенденция увеличения разброса оптимальных радиусов в исследуемом диапазоне сохраняется: на длине волны 400 нм Rmax составляет всего 22.5 нм при 1200 нм - 96.6 нм, увеличиваясь более чем в 4.2 раза. Все тенденции оптических свойств наночастиц кобальта в матрице с показателем преломления 2 (азид серебра [35]), отмеченные выше, сохраняются. Qmax непрерывно уменьшается без плазмонного резонансного поглощении: [3.0266 2.9171 2.7765 2.6824 2.6254 2.4245 2.2789 2.1224 1.9845 1.8741 1.7849 1.7143 1.6588 1.6114 1.5674 1.5556 1.5265 1.4890 1.4556]. Параметры линейной зависимости Rmax(л) (плюсики на рис. 2): 0.0811 и -14.8749. Угловой коэффициент несколько уменьшился, однако три нижние прямые рис. 2 практически параллельны, свободные слагаемые у них практически одинаковые, поэтому они пересекаются в начале координат в области отрицательных радиусов. Этот эффект появляется вследствие плазмонного резонансного поглощения, который в матрице с показателем преломления 2.25 начинает проявляться в видимой области спектра: [2.8295 2.8689 2.8543 2.8165 2.7937 2.6841 2.5551 2.3998 2.2538 2.1302 2.0266 1.9434 1.8783 1.8231 1.7717 1.7578 1.7235 1.6790 1.6387]. Абсолютный максимум Qmax(л) на длине волны 450 нм является его проявлением. Обращает внимание, что абсолютные значения Qmax наночастиц кобальта на длине волны 400 нм в матрице с показателем преломления 2.25 заметно меньше, чем в матрицах с ma равными 2 [25] и даже 1.75. Данный необычный для нерезонансного поглощения эффект также является признаком плазмонного поглощения. Остается добавить, что для спектральной зависимости Rmax наночастиц кобальта в матрице показателем преломления 2.25 (на рис. 2 прямая с маркером точек “*”) параметры линейной зависимости: 0.07158 и -14.5986. Отмеченные ранее закономерность выполняется и при проявлении плазмонного резонанса: свободные слагаемые практически одинаковые для различных матриц, а тангенс угла наклона несколько уменьшился. Данные закономерности отмечены впервые и для формулировки достоверных выводов требуется дополнительные исследования на широком круге металлов.

Выводы: найдены области проявления плазмонного резонансного поглощения наночастиц кобальта и обнаружены закономерности влияния показателя преломления матрицы на Rmax. Автор выражает благодарность научному руководителю к.ф-м.н. А.П. Боровиковой.

Список литературы

1. Кочиков И.В., Морозов А.Н., Фуфурин И.Л. Численные процедуры идентификации и восстановления концентраций веществ в открытой атмосфере при обработке единичного измерения фурье-спектрорадиометра // Компьютерная оптика. 2012. Т. 36. № 4. С. 554-561.

2. Лысенко С.А., Кугейко М.М., Фираго В.А. и др. Неинвазивный экспресс-анализ содержания гемоглобинов в крови с использованием оптоволоконного спектрофотометра // ЖПС. 2014. Т. 81. № 1. С. 120-128.

3. Каленский А.В., Звеков А.А. и др. Оптические свойства наночастиц меди // Известия ВУЗов. Физика. 2015. Т. 58. № 8. С. 59-64.

4. Газенаур Н.В., Никитин А.П. Температурная зависимость коэффициента эффективности поглощения наночастиц меди // Современные фундаментальные и прикладные исследования. 2015.№ Специальный выпуск. С. 22-26.

5. Каленский А.В., Никитин А.П., Каленский А.В.Оптические свойства наночастиц алюминия при различных температурах // Nauka-Rastudent.ru. 2015. № 3 (15). С. 22.

6. Каленский А.В., Никитин А.П., Звеков А.А. Коэффициенты эффективности поглощения наночастиц алюминия при различных температурах на длине волны 1064 нм// Аспирант. 2015. № 1 (6). С. 183-186.

7. Иващенко Г.Э. Закономерности рассеяния света первой гармоники неодимового лазера наночастицами никеля в PETN // Actualscience. 2015. Т. 1. № 3 (3). С. 63-67.

8. Иващенко Г.Э., Одинцова О.В. Исследование взрывной чувствительности композитов гексоген-никель // NovaInfo.Ru. 2015. Т. 2. № 33. С. 13-19.

9. Иващенко Г.Э. Зависимость критической плотности энергии инициирования PETN-никель от размера наночастицы // Nauka-Rastudent.ru. 2015. № 9. С. 10.

10. 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.

11. Ananyeva M. V., Kalenskii A. V., Zvekov A. A., Nikitin A. P., Zykov I. Yu. The optical properties of the cobalt nanoparticles in the transparent condensed matrices // Наносистемы: физика, химия, математика. 2015. Т. 6. № 5. С. 628 - 636.

12. 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.

13. Галкина Е. В., Радченко К. А. Модель инициирования композитов pent-олово импульсом неодимового лазера // Nauka-Rastudent.ru. 2015. № 9. С. 12.

14. Радченко К.А. Критическая плотность закономерности инициирования взрывного разложения PETN-V неодимовым лазером длительностью 12 нс // Современные фундаментальные и прикладные исследования. 2015. № 3 (18). С. 40-46.

15. Одинцова О.В., Иващенко Г.Э. Кинетические закономерности лазерного инициирования композитов тэн-серебро // Nauka-rastudent.ru. 2015. №. 04(16). С. 46.

16. Лукатова С.Г. Спектральные закономерности коэффициентов эффективности поглощения композитов золото-тэн// Современные фундаментальные и прикладные исследования. 2014. №2(13). С. 54 - 58.

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

18. 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.

19. Звеков А.А., Каленский А.В. и др. Расчет оптических свойств композитов пентаэритрит тетранитрат -- наночастицы кобальта // ЖПС. 2015. Т. 82. № 2. С. 219-226.

20. 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.

21. Золотарев В.М., Морозов В.Н., Смирнова Е.В.// Л.: Химия, 1984. с. 216.

22. Palik E.D. Handbook of Optical Constants of Solids II // Academic Press, 1998. 1096 p.

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

24. Адуев Б.П., Нурмухаметов Д.Р. и др. Определение оптических свойств светорассеивающих систем с помощью фотометрического шара// Приборы и техника эксперимента, 2015, № 6, с. 60-66.

25. Никитин А.П., Газенаур Н.В. Расчет спектральных закономерностей коэффициентов эффективности поглощения наночастиц меди //Аспирант. 2015. № 5-2 (10). С. 73-76.

26. Радченко К. А. Комплексные показатели преломления ванадия на длинах волн современных лазеров // Nauka-Rastudent.ru. 2015. № 10. С. 32.

27. Каленский А.В., Ананьева М.В. и др. Кинетические закономерности взрывчатого разложения таблеток тетранитропентаэритрит-алюминий // ЖТФ. 2015, Т. 85. № 3. С. 119-123.

28. Каленский А.В., Зыков И.Ю. и др. Критическая плотность энергии инициирования композитов тэн - никель и гексоген - никель // Известия ВУЗов. Физика. 2014. Т. 57. № 12-3. С. 147-151.

29. Каленский А. В., Звеков А. А. и др. Влияние длины волны лазерного излучения на критическую плотность энергии инициирования энергетических материалов // ФГВ. 2014. Т. 50. № 3. С. 98-104.

30. Адуев Б.П., Нурмухаметов Д.Р. и др. Температурная зависимость порога инициирования композита тетранитропентаэритрит-алюминий второй гармоникой неодимового лазера // ХФ. 2015. Т. 34. № 7. С. 54-57.

31. Каленский А.В., Никитин А.П., Газенаур Н.В. Закономерности формирования очага взрывного разложения композитов PETN - медь лазерным импульсом // Actualscience. 2015. Т. 1. № 4 (4). С. 52-57.

32. Зыков И.Ю., Каленский А.В. Пакет прикладных программ для расчета кинетики взрывного разложения энергетического материала, содержащего наночастицы металла, при облучении лазерным импульсом// Аспирант. 2015. № 7. С. 73-78.

33. Каленский А.В., Никитин А.П. Программный комплекс для расчета характеристик рассеяния лазерного излучения наночастицами алюминия // NovaInfo.Ru. 2015. Т. 1. № 38. С. 1-7.

34. 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.

35. Каленский А.В., Ананьева М.В. и др. Вероятность генерации дефектов по Френкелю при разложении азида серебра// ХФ. 2015. Т. 34. № 3. С. 3-9.

Размещено на Allbest.ru