Эффективность поглощения наночастиц серебра

Размещено на http://www.allbest.ru/

Кемеровский государственный университет

Физико-математические науки

Эффективность поглощения наночастиц серебра

Галкина Вера Владимировна

Определены спектральные зависимости (в диапазоне длин волн от 400 нм до 600 нм) комплексного показателя преломления, максимального коэффициента эффективности поглощения наночастиц серебра в вакууме. Показано, что максимальный коэффициент эффективности поглощения наночастиц серебра в вакууме непрерывно уменьшается с увеличением длины волны без реализации плазмонного поглощения.

Похожие материалы

· Исследование спектральной зависимости показателя поглощения ванадия

· Спектральные зависимости коэффициента эффективности поглощения наночастиц кобальта

· Оптические свойства оксида меди

· Резонансное поглощения наночастиц никеля

· Средства стохастической подготовки обучающихся на основе информационных технологий

Серебро относится к числу редких элементов, которые образуют группу драгоценных или благородных металлов. К этой группе так же относится золото, платина и пять металлов платиновой группы. Как и все благородные металлы, серебро в обычных условиях не подвержено воздействию воздуха, воды, а так же каких-либо других факторов, которые обычно приводят к быстрой коррозии и окислению «обычных» металлов. Серебро обладает замечательной отражающей способностью (около 95% в видимой части спектра), что является наибольшим среди металлов. Именно это свойство серебра люди использовали для изготовления зеркал, оно же очень полезно для реализации рабочего тела исполнительных устройств, например капсюля оптического детонатора. Серебро обладает наибольшей теплопроводностью среди металлов [1]. Одним из главных свойств серебра является его уникальная электрическая проводимость. При температуре +20°С оно обладает наибольшей электропроводностью среди всех элементов.

В наноразмерном состоянии серебро обладает рядом уникальных свойств [2]. С конца девятнадцатого века в медицине используются препараты на основе коллоидного серебра, обладающие выраженными бактерицидными свойствах. На наночастицах серебра наиболее выражено проявляется эффект плазмонного резонансного поглощения с уникальным значением коэффициента эффективности поглощения 16 (в определенных условиях наночастицы серебра имеют сечение поглощения света в 16 раз больше геометрического) [3]. Коллоидное серебро достаточно устойчиво к окислению и является незаменимым объектом для исследования студентами химических специальностей университетов. В тоже время систематического экспериментального и теоретического изучения оптических свойств наночастиц серебра проведено не было. Настоящая работа начинает цикл исследований этого уникального объекта с оценки эффективности поглощения наночастицами серебра света в диапазоне 400 - 600 нм. Цель работы - определение спектральных зависимостей комплексного показателя преломления серебра в диапазоне 400 - 600 нм, максимальных значений коэффициентов эффективности поглощения наночастиц.

Задача работы вытекает из возможного практического применения наночастиц серебра. Процессы нагревания светом наночастиц металла, сопровождающие поглощение света, играют деструктивную роль и приводят к деградации ряда устройств, например спектрально-селективных покрытий поглощения солнечной энергии. С другой стороны, в капсюлях оптических детонаторов [4-7] нагревание наночастиц металла лазерным импульсом приводит к инициированию взрывчатого разложения энергетического материала прозрачной матрицы и срабатыванию устройства. Оптимизация состава идет по пути поиска композита с минимальным порогом срабатывания [1, 6-10]. В работах [6-15] исследовано влияние наночастиц ряда металлов на критическую плотность содержащего их PETN (вторичное взрывчатое вещество). Показана возможность снижения в сотни раз критической плотности энергии лазерного инициирования PETN импульсами основной и второй гармониками неодимового лазера. В любом случае, последствия поглощения света наночастицами необходимо исследовать, чтобы знать последствия этих процессов в конкретной матрице.

Задача решается несколькими последовательными действиями. Первая часть - оценка комплексного показателя преломления (mi) металла, который зависит от длины волны. Наличие или отсутствие существенной зависимости этого параметра от радиуса наночастиц пока неизвестно. В работах [3, 16] предполагается ее отсутствие даже вблизи частот плазмонного поглощения. Однако данный вопрос имеет только экспериментальный ответ. Разработанные в настоящие время методики экспериментального определения mi оперируют с исследованием свойств пленок металлов. Непосредственный перенос результатов измерений, выполненный на массивном материале, на свойства наночастиц представляется необоснованным. Поэтому в работах [17-22] начата разработка методики оценки оптических свойств (включая mi) наночастиц металлов.

Следующий этап - определение коэффициентов эффективности поглощения (Qabs) и рассеяния (Qsca) наночастиц, выполняемое либо экспериментально, как в работах [18, 19], либо теоретически [23-28]. Методика разработана в работах [23-28] для наночастиц алюминия, никеля, кобальта, меди и других металлов. Апробирована в том числе и в диапазоне длин волн, соответствующих резонансному поглощению наночастиц. В настоящей работе остановимся на этих двух этапах. Однако далее по рассчитанным значениям Qabs и Qsca на основании решения уравнений переноса оцениваются оптические свойства матицы с наночастицами, в том числе коэффициенты отражения и повышения освещенности в образце [18-22]. С произведением последней величины и Qabs связана эффективность взаимодействия света с наночастицей, приводящей к нагреванию как поглощающего включения, так и окружающей прозрачной матрицы [29-33].

Обращение к материалу наночастиц - серебро представляется не случайной. Выше и в работах [30, 34] показана перспективность использования этого металла в исполнительных устройствах, а в изучаемом спектральном диапазоне в матрице PETN и гексогена обнаружен плазмонное резонансное поглощение с Qabs более 10 [3]. Это означает, что сечение поглощения наночастиц серебра больше геометрического в 10 раз. Однако эти результаты получены на недостаточно надежных источниках комплексного показателя преломления, полученные в экспериментальных работах середины прошлого века. В настоящей работе мы используем экспериментальные значения mi из последнего наиболее достоверного источника - монографии [35], в которой приведены значения mi серебра в широком спектральном диапазоне от дальней ИК области до энергий фотона 10000 эВ. Кроме того, использовалась методика линейной интерполяции mi для актуальной длины волны по значениям искомой величины для двух длин волн.

Позже была разработана интерполяционная методика оценки mi по совокупности значений большого числа значений комплексных показателей преломления для длин волн спектрального диапазона, в котором известен комплексный показатель преломления [36 - 38]. Методика имеет большую точность, аппроксимируя имеющиеся данные полиномом шестого порядка [36]. Экспериментальные значения комплексного показателя преломления серебра для длин волн л (rr): 400 нм, 413.3 нм, 427.5 нм, 442.8 нм, 459.2 нм, 476.9 нм, 495.9 нм, 516.6 нм, 539.1 нм, 563.6 нм, 590.4 нм и 619.9 нм [35]. При этом действительные части mi составляют следующий ряд (Remi): 0.173 0.173 0.160 0.157 0.144 0.132 0.130 0.130 0.129 0.120 0.121 0.131 [35], мнимые (Immi) 1.95 2.11 2.26 2.40 2.56 2.72 2.88 3.07 3.25 3.45 3.66 3.88 [35]. Мы видим, что длины волн в эксперименте определялись с точностью 0.1 нм, поэтому при интерполяции нам необходима процедура использования сплайна с этой, а не меньшей точностью:

xx1=rr(1):0.1:rr(length(rr)); % массив длин волн через 0.1 нм.

yy1=spline(rr(1:length(rr)),Remi(1:length(rr)),xx1); % определяет массив yy1, размером nk, в котором находятся интерполированные с шагом 0.1 нм значения действительных частей комплексного показателя преломления ванадия методом spline (кривая, проходящая через экспериментальные точки Remi с одновременным минимумом длины и суммы изменений производной), встроенным в систему MatLab.

yy2=spline(rr(1:length(rr)),Immi(1:length(rr)),xx1); % определяет массив yy2, также размером nk, в котором находятся интерполированные с шагом 0.1 нм значения модулей мнимых частей комплексного показателя преломления ванадия.

Для расчета спектральных зависимостей mi адаптируем разработанную методику и пакет прикладных программ [37], изменив шаг рассматриваемых точек:

nL=[400:0.5:600 ]; % массив с интересующими значениями длин волн через 0.5 (в нм).

Моделирование осуществляем в MatLab (научная лицензия с номером 824977). Для построения графика используем следующий фрагмент программы [39]:

figure('color',[1,1,1]); % задаем белый (1,1,1) цвет графика, по умолчанию в MatLab6.5 (на который имеется лицензия) - серый (0.8, 0.8, 0.8).

axes('linewidth',2,'fontweight','bold','fontsize',12,'color',[1, 1, 1],'ticklength', [0.01 0],'fontname', 'Times New Roman cyr');

plot (xx1,yy11,'K',xx1,yy12,'K',L1,Remi,'*K',L1,Immi,'+K', 'linewidth',2); % строим график.

xlabel('\lambda, нм','rotation',0,'fontweight','demi','fontsize', 14,'fontname', 'Times New Roman cyr', 'units','normal','position',[0.85, -0.08]) % определяет параметры подписи: текст, стиль и положение около оси Х. Греческие буквы можно отобразить флешами, например «л» - \lambda.

ylabel('m_i','rotation',0,'fontweight','demi','fontsize', 14,'fontname','Times New Roman cyr','units','normal','position',[-0.08, 0.9]) % определяет текст, стиль и положение подписи под осью Y.

legend ('Re(m_i)','Im(m_i)')

Рисунок 1. Зависимости мнимой (верхняя кривая, экспериментальные точки отмечены знаком “+” [35]) и действительной (нижняя штриховая кривая, точки отмеченная “*” [35]) частей mi серебра в спектральном диапазоне от 400 нм до 600 нм. Линии - аппроксимация с шагом 0.5 нм.

Результат выполнения программы с представленными выше параметрами представлен на рис. 1. На нем видим две зависимости: сплошная кривая (с точками значков “+”) показывает спектральную зависимость мнимой части mi, штрих - действительной части mi серебра. В целом полученные результаты близки к оцененным в [3] для серебра по старым данным. В тоже время для меди и алюминия из работ [40 - 42] зависимости отличные. Так для меди [40] мнимая часть mi (определяющая коэффициент поглощение металла) уменьшается от 0.87 для 400 нм более чем в четыре раза для длины волны 750 нм. Для серебра в этом диапазоне мнимая часть комплексного показателя преломления значительно (почти в 2 раза) увеличивается от значения 1.95 для той же длины волны.

Рисунок 2. Зависимость максимальных значений коэффициента эффективности поглощения (Qmax) наночастиц серебра в вакууме от длины волны в диапазоне от 400 нм до 600 нм, рассчитанные по значениям mi из работы [35].

Далее перейдем к решению второй части задачи - расчету коэффициентов эффективности поглощения Qabs наночастиц радиуса R рассчитаем в рамках теории Ми [3 - 28]. Для исследуемого диапазона с шагом по длине волны в 0.5 нм и отличающимися значениями комплексного показателя преломления (рис. 1) рассчитаны зависимости Qabs(R). Все (четыреста одна) зависимости Qabs(R) имеют абсолютные максимумы, амплитуда которых Qмах (рис. 2) и соответствующие радиусы наночастиц Rмах (рис. 3) изменяются с ростом длины волны. Такой тип зависимости Qabs(R) типичен для всех металлов [3-28], однако для меди наблюдаются существенные осцилляции, когда локальные максимумы Qabs могут сравниваться с абсолютными [40]. При радиусах наночастиц меньших Rmax коэффициент эффективности поглощения резко спадает до нуля в соответствии с законом Рэлея. При превышении радиуса наночастицы серебра значения Rmax, соответствующего данной длине волны, Qabs спадает. спектральный преломление наночастица волна

Рисунок 3. Зависимость оптимального для поглощения радиуса наночастиц серебра от длины волны. “*” - представленные результаты расчета через 10 точек (5 нм), сплошная прямая - обработка линейным МНК.

Спектральные зависимости Qмах в исследованном диапазоне представлены на рис. 2. Поглощающие свойства наночастиц серебра существенно отличаются в PETN [43] и вакууме. Так в плотной матрице в этом спектральном диапазоне наблюдается выраженный плазмонный резонанс, когда коэффициент эффективности поглощения имеет абсолютный максимум как от размерных, так и спектральных аргументов. В данном случае мы видим быстрое уменьшение Qмах от 2.874 для длины волны 400 нм до 0.7 для л = 465 нм и 0.1548 для 600 нм. Последнее означает, что только 15 % падающей на наночастицу энергии поглощается ею. Таким образом, как источник комплексного показателя преломления, так и показатель преломления матрицы существенно влияет на оптические свойства наночастиц, особенно вблизи частот плазмонного резонанса.

Рассмотрим размерный аспект взаимодействия излучения с веществом. Его иллюстрирует рис. 3. Геометрический фактор играет важнейшую роль для оптимизации различных исполнительных устройств [44]. В данном случае имеется несколько приложений. Во первых, ультрадисперсные частицы серебра изменяя размер, могут потерять ингибирующие свойства, переставая подавлять реакцию взрывного разложения, что ранее продемонстрировано для наночастиц серебра в кристаллах азида серебра [45-48]. Во вторых, следующий размерный диапазон приводит к автокатализу разложения, что может привести к взрывному разложению азида серебра в электрическом поле [45-49]. В третьих уже микрочастицы серебра могут хорошо поглощать и разогреваться, но запаса тепла не хватит для поджига энергетического материала (что было показано в работах [29-34]). И последнее - увеличивая далее размер наночастиц мы приходим к ситуации, когда наночастица плохо поглощая, может инициировать реакцию благодаря запасенному теплу [35- 43]. Для всех исследованных в [1, 3-48] металлов с увеличением длины волны радиус наночастицы с максимальным коэффициентом эффективности поглощения увеличивается. Причем для большинства из них эта зависимость линейна с угловым коэффициентом в районе 0.1. На рис. 3 приведена спектральная зависимость Rмах (оптимального для поглощения радиуса наночастиц) серебра в воздухе (снежинки) и аппроксимация последней линейным МНК. Так как плазмонного резонанса мы не обнаружили, зависимость Rмах(л) близка к линейной с параметрами 0.2105 (безразмерная величина) и - 42.7390 нм. Большое отрицательное значение свободного слагаемого означает, что плазмонный резонанс наблюдается при меньших длинах волн, где и ожидается уменьшение свободного параметра, значение которого в данном спектральном диапазоне аномально большое. Однако значения оптимального радиуса на уровне 50 нм (диаметр 100 -150 нм) хороши для использования в оптическом детонаторе. Автор выражает благодарность научному руководителю аспиранту кафедры ХТТ и ХМ Галкиной Е.В.

Список литературы

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

2. Помогайло А.Д., Розенберг А.С., Уфлянд И.Е. Наночастицы металлов в полимерах. Москва: Химия. 2000. 672 с.

3. 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.

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

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

6. 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.

7. 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.

8. 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.

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

10. 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.

11. Pugachev V.M., Datiy K.A., Valnyukova A.S. and others. Synthesis of copper nanoparticles for use in an optical initiation system // Наносистемы: физика, химия, математика. 2015. Т. 6. № 3. С. 361-365.

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

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

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

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

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

19. 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.

20. Zvekov A.A., Ananyeva M.V., Kalenskii A.V. and others Regularities of light diffusion in the compo site material pentaery thriol tetranitrate nickel // Наносистемы: физика, химия, математика. 2014. Т. 5. № 5. С. 685-691.

21. 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.

22. Звеков А.А., Каленский А.В., Адуев Б.П. и др. Расчет оптических свойств композитов пентаэритрит тетранитрат -- наночастицы кобальта // Журнал прикладной спектроскопии. 2015. Т. 82. № 2. С. 219-226.

23. Звеков А.А., Каленский А.В., Никитин А.П. Моделирование оптических свойств наночастиц никеля в среде гексогена// Международное научное издание Современные фундаментальные и прикладные исследования. 2015. № Специальный выпуск. С. 26-31.

24. Зыков И. Ю., Каленский А. В. Расчет спектральных закономерностей коэффициента эффективности поглощения наночастиц алюминия в гексогене // Современные фундаментальные и прикладные исследования. 2015. № 1 (16). С. 37-42.

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

26. 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.

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

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

29. Газенаур Н.В., Никитин А.П. Инициирование взрывного разложения композитов PETN - наночастицы меди радиуса 50 нм // Современные фундаментальные и прикладные исследования. 2015. № 4 (19). С. 97-103.

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

31. Кригер В.Г., Каленский А.В., Звеков А.А. и др. Процессы теплопереноса при лазерном разогреве включений в инертной матрице // Теплофизика и аэромеханика. 2013. Т. 20. № 3. С. 375-382.

32. Кригер В.Г., Каленский А.В., Звеков А.А. и др. Влияние эффективности поглощения лазерного излучения на температуру разогрева включения в прозрачных средах // ФГВ. 2012. Т.48. № 6. С. 54-58.

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

34. Боровикова А.П., Иващенко Г.Э., Радченко К.А., Галкина Е.В. Моделирование взрывного разложения прессованных таблеток PEТN-наночастицы металлов // Вестник науки и образования Северо-Запада России. 2015. Т. 1. № 1. С. 217-223.

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

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

37. Радченко К.А. Определение комплексного показателя преломления ванадия на первой гармонике неодимового лазера //Аспирант. 2015. № 9. С. 52-55.

38. 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.

39. Радченко К. А. Формирование очага взрывного разложения композитов PETN - ванадий // Nauka-Rastudent.ru. 2015. №. 11 (23). С. 36.

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

41. 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.

42. Адуев Б. П., Нурмухаметов Д. Р., Лисков И. Ю. и др. Закономерности инициирования взрывчатого разложения ТЭНа импульсным излучением второй гармоники неодимового лазера // ХФ. 2015. Т. 34. № 11. С. 44-49.

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

44. 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.

45. Кригер В. Г., Каленский А. В., Звеков А. А. Релаксация электронно-возбужденных продуктов твердофазной реакции в кристаллической решетке // ХФ. 2012. Т.31. №1. С. 18-22.

46. Каленский А.В., Ананьева М.В., Кригер В.Г. и др. Коэффициент захвата электронных носителей заряда на экранированном отталкивающем центре // ХФ. 2014. Т. 33. № 4. С. 11-16.

47. Ananyeva M. V., Kalenskii A. V. Simulation of development of the solid state chain reaction // Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Химия. 2015. Т. 8. № 2. С. 181-189.

48. Звеков А.А., Каленский А.В. Схема электронных переходов стадии развития цепи // Современные фундаментальные и прикладные исследования. 2015. № 3 (18). С. 28-33.

Размещено на Allbest.ru