Исследование спектральной зависимости показателя поглощения ванадия
Спектральная зависимость комплексного показателя преломления ванадия в диапазоне длин волн 400-1200 нм. Спектральная зависимость максимального коэффициента эффективности поглощения наночастиц ванадия в этом диапазоне. Наблюдение широкого плазмонного пика.
Рубрика | Физика и энергетика |
Вид | статья |
Язык | русский |
Дата добавления | 31.07.2018 |
Размер файла | 77,5 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Кемеровский государственный университет
Исследование спектральной зависимости показателя поглощения ванадия
Физико-математические науки
Радченко Кристина Анатольевна, магистр
Представлена спектральная зависимость комплексного показателя преломления ванадия в диапазоне длин волн 400-1200 нм. Рассчитана спектральная зависимость максимального коэффициента эффективности поглощения наночастиц ванадия в этом диапазоне. В диапазоне 400-650 нм наблюдается широкий плазмонный пик, характерный для алюминия и металлов подгруппы железа. Положение максимального коэффициента эффективности поглощения (590 нм) соответствует локальному максимуму действительной части и глобальному минимуму мнимой части комплексного показателя поглощения ванадия.
Развитие науки и техники требует использования новых функциональных и конструкционных материалов. Среди перспективных металлов выделяется ванадий [1]. Химически конденсированный ванадий довольно инертен, стоек к действию разбавленных растворов соляной, азотной и серной кислот. Ванадий в настоящее время используется в качестве добавки для получения нержавеющих сплавов. Металлический ванадий используют в атомной энергетике, производстве электронных приборов. Соединения ванадия применяют в качестве катализаторов. Использование ванадия в оптических системах на сегодняшний день явно недостаточное. Перспективы его использования определяются высокой температурой плавления (2193 К). Поэтому этот металл может использоваться в оптических системах инициирования (оптических детонаторах) [2-4]. Немаловажное значение для этого имеет широкое распространение ванадия в земной коре. Например: распространение ванадия больше меди и никеля в 1.5 раза, цинка - в 3, олова - 3.75, кобальта - 5, свинца - 9.375, серебра - 1500, золота и платины - в 30000 раз. Однако он значительно уступает всем этим металлам по применению в современной промышленности.
Цель работы: исследование спектральной зависимости коэффициентов эффективности поглощения наночастиц и показателя поглощения металлического ванадия.
Экспериментальное решение данной задачи является трудоемкой задачей даже для одной длины волны, радиуса наночастицы и толщины пленки металла [5-7]. Первоначальный этап решения этой задачи является теоретическим [8] и заключается в расчете необходимых закономерностей и выделении наиболее перспективных спектральных диапазонов [7, 9]. Коэффициент эффективности поглощения сферической наночастицы радиуса R рассчитывался в рамках теории Ми по методике, приведенной в работе [9-11]. Влияние формы на оптические свойства исследовался в работе [12] для цилиндрических наночастиц. В этом случае появляется дополнительная размерная величина, характеризующая форму: кроме радиуса еще и образующая [12]. Кроме того, начинает влиять поляризация света [12]. Первичное исследование вопроса рационально проводить на наночастицах максимально упрощенной формы, для которой существуют максимально точные модельные представления определения характеристик процесса [2-7, 9-11, 13]. На сегодняшний день существуют несколько способов синтеза наночастиц практически сферической формы: электровзрыв в вакууме, восстановление свежеосажденного гидроксида необходимого металла гидразином [14]. Оптимизацией условий синтеза можно получить сферические наночастицы с необходимыми радиусами (R) [14, 15]. Для расчета спектральных закономерностей коэффициента эффективности поглощения необходим комплексный показатель преломления (mi), который в свою очередь, также зависит от длины волны падающего излучения [9-13]. В работах [5-7, 15-24] использовались спектральные значения mi для алюминия, металлов подгруппы железа, меди, серебра, золота, взятые из справочника [25]. Исследование оптических свойств начнем со спектрального диапазона 400-1200 нм, для которого существуем достаточно много прозрачных, востребованных в промышленности матриц. Комплексный показатель преломления состоит из двух частей: действительной (Re(mi)) и мнимой Im(mi), представленных в таблице 1 [25]. В отличие от металлов алюминия, никеля, кобальта [5-7, 15-22], как действительная, так и мнимая части mi в исследуемом спектральном диапазоне образуют полиэкстремальную зависимость, представленную на рисунке 1.
Рис.1. Спектральные зависимости мнимых (-Im(mi)) и действительных (Re(mi)) частей комплексного показателя преломления ванадия
Таблица 1. Длина волны излучения, комплексный показатель преломления [25], максимальное значение коэффициента эффективности поглощения, показатель поглощения.
л, нм |
Re(mi) [25] |
Im(mi) [25] |
Qabs |
б, нм-1 |
|
400 |
2.09 |
3.83 |
1.1362 |
0.1203 |
|
410 |
2.19 |
3.88 |
1.1280 |
0.1189 |
|
425 |
2.45 |
3.91 |
1.1382 |
0.1156 |
|
450 |
2.61 |
3.90 |
1.1502 |
0.1089 |
|
475 |
2.90 |
3.82 |
1.1828 |
0.1011 |
|
500 |
3.03 |
3.75 |
1.2036 |
0.0942 |
|
525 |
3.15 |
3.63 |
1.2355 |
0.0869 |
|
550 |
3.20 |
3.57 |
1.2505 |
0.0816 |
|
575 |
3.20 |
3.46 |
1.2801 |
0.0756 |
|
590 |
3.37 |
3.39 |
1.2916 |
0.0722 |
|
600 |
3.31 |
3.44 |
1.2814 |
0.0720 |
|
625 |
3.27 |
3.50 |
1.2671 |
0.0720 |
|
675 |
3.34 |
3.51 |
1.2622 |
0.0653 |
|
700 |
3.44 |
3.53 |
1.2535 |
0.0634 |
|
725 |
3.41 |
3.52 |
1.2572 |
0.0610 |
|
750 |
3.43 |
3.56 |
1.2464 |
0.0596 |
|
775 |
3.39 |
3.54 |
1.2528 |
0.0574 |
|
800 |
3.43 |
3.58 |
1.2414 |
0.0562 |
|
825 |
3.28 |
3.58 |
1.2459 |
0.0545 |
|
850 |
3.23 |
3.62 |
1.2367 |
0.0535 |
|
900 |
3.23 |
3.62 |
1.2367 |
0.0505 |
|
950 |
3.04 |
3.66 |
1.2288 |
0.0484 |
|
1000 |
2.96 |
3.79 |
1.1921 |
0.0476 |
|
1020 |
2.91 |
3.80 |
1.1888 |
0.0468 |
|
1100 |
2.50 |
4.54 |
0.9502 |
0.0519 |
|
1200 |
2.31 |
4.94 |
0.8189 |
0.0517 |
Для меди при увеличении длины волны от 500 нм до 650 нм действительная часть mi уменьшается с 0.88 до 0.142 [19] более, чем в 6 раз. Для ванадия в этом спектральном диапазоне Re(mi) увеличивается всего на 8 % от 3.03 до 3.3. Обращается на себя внимание большое значение действительной части комплексного показателя преломления ванадия. Для меди от 650 нм до 1000 нм Re(mi) слабо увеличивается, оставаясь менее 0.2 [19]. Для ванадия в диапазоне от 650 нм до 900 нм Re(mi) остается практически неизменной, далее несколько уменьшается от 3.3 до 2.31 на 30 %. Абсолютное значение действительной части комплексного показателя преломления ванадия достаточно большое, больше, чем для благородных металлов (менее 0.2) [23-24], алюминия (менее 1) [5, 9-13, 16, 17].
Для меди при увеличении длины волны всего в два раза от 450 нм до 1000 нм мнимая часть mi увеличивается с 2.20 до 6.27 [19] почти в 3 раза. Для ванадия при увеличении длины волны более 400 нм Im(mi) несколько увеличивается, проходя через локальный максимум, далее значительно уменьшается (что совершенно не характерно для исследуемых в [5-7, 15-24] металлов). На длине волны 590 наблюдается глобальный минимум Im(mi), после чего увеличение длины волны приводит к очень медленному увеличению мнимой части mi. Так на 625 нм Im(mi)=3.5, а при 900 нм Im(mi)=3.62 (увеличивается на 3.4 %). В результате, Im(mi) для длин волн 525 нм и 900 нм практически совпадает. От длины волны 900 нм до 1200 нм Im(mi) увеличивается с 3.62 до 4.94 на 27 %.
Интенсивность поглощения света наночастицами определяется коэффициентом эффективности поглощения (Qa). Экспериментальное определение Qa для одного радиуса наночастицы является очень трудной задачей [5-6]. В [26] доказана корректность расчета оптических характеристик наночастиц металлов в рамках теории Ми. Поэтому рассчитаем зависимость Qa наночастиц ванадия от радиуса (R) для каждой длины волны в рамках теории Ми. Коэффициент эффективности поглощения света наночастицей рассчитывался как разность коэффициентов эффективности экстинкции и рассеяния [26,27]. Коэффициенты эффективности поглощения, экстинкции и рассеяния введены для удобства описания оптических свойств наночастицы. Они являются отношениями сечений соответствующих процессов к геометрическому сечению наночастицы. Такое определение позволяет относительно легко рассчитывать эти величины. Для каждой длины волны рассчитывались зависимости Qa(R) в диапазоне радиусов 10-200 нм. Все зависимости Qa(R) имеют абсолютный максимум (Qabs), положение которого определяется длиной волны света. Значения Qabs для каждой длины волны представлены в цифровом виде в таблице 1.
Для иллюстрации особенностей поглощения света наночастицами ванадия на рисунке 2 построена зависимость максимальных значений коэффициентов эффективности поглощения Qabs от длины волны.
Рис. 2. Спектральная зависимость максимального значения коэффициента эффективности поглощения (Qabs)наночастиц ванадия
спектральный наночастица ванадий
Максимум коэффициента эффективности поглощения наблюдается на длине волны 590 нм, что соответствует локальному максимуму действительной части и глобальному минимуму мнимой части комплексного показателя поглощения ванадия. Однако в отличие от серебра и золота, где плазмонный пик поглощения узкий [26], в ванадии в диапазоне 400-650 нм наблюдается широкий плазмонный пик, более характерный для алюминия [5, 9-13, 16, 17, 21] и металлов подгруппы железа [6, 20, 22, 26-27]. Особенностью ванадия является практически постоянное значение Qabs в широкой спектральной области от 410 нм до 1000 нм, где этот параметр меняется от 1.1280 до 1.1921 (в пределах 5 %). Для наночастиц серебра в этой спектральной области Qabs изменяется в десятки раз.
От мнимой части комплексного показателя преломления металла зависят оптические свойства образца. Величина показателя поглощения зависит от Im(mi) и длины волны по формуле б=4рIm(mi)/л. В исследуемом спектральном диапазоне рассчитанные величины показателя поглощения ванадия представлены в столбце 5 таблицы 1. При длине волны 400 нм показатель поглощения равен 0.1203 нм-1, при увеличении длины волны до 1000 нм показатель поглощения уменьшается до 0,476 нм-1, далее слабо увеличивается, для длины волны, равной 1200 нм становится 0.517 нм-1. Проведенное исследование позволяет сделать вывод о перспективности использования наночастиц и пленок ванадия в оптических системах (например оптических детонаторах).
Автор выражает благодарность научному руководителю профессору, доктору физико-математических наук, профессору А. В. Каленскому.
Список литературы
1. Сидоров А.И., Виноградова О.П., Обыкновенная И.Е., Хрущева Т.А. Синтез и оптические свойства наночастиц диоксида ванадия в нанопористых стеклах // Письма в Журнал технической физики. 2007. Т. 33. № 13. С. 85-89.
2. 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.
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. Ананьева М.В., Каленский А.В. Инициирование взрывного разложения микрокристаллов азида серебра //Молодой ученый. 2014. № 19. С. 52-55.
5. 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.
6. 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.
7. 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.
8. Халиков Р. М. Технологические схемы решения экологических проблем регионального производства материалов // Nauka-Rastudent.ru. 2014. № 3 (03). С. 10.
9. 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.
10. Каленский А.В., Звеков А.А., Ананьева М.В. и др Влияние длины волны лазерного излучения на критическую плотность энергии инициирования энергетических материалов // ФГВ. 2014. Т. 50. № 3. С. 98-104.
11. 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 - 65.
12. Зыков, И. Ю. Расчет коэффициентов эффективности поглощения цилиндрическими наночастицами // Современные фундаментальные и прикладные исследования. 2013. № 4 (11). С. 63-68.
13. Ananyeva M.V., Kriger V.G. et al. Comparative analysis of energetic materials explosion chain and thermal mechanisms// Известия ВУЗов. Физика. 2012. Т. 55. № 11-3. С. 13-17.
14. Захаров Ю.А., Пугачев В.М., Датий К.А. et al. Получение и некоторые свойства наноразмерных порошков системы Fe-Co-Ni //Вестник КемГУ. 2013. № 3-3 (55). С. 77-80.
15. Pugachev V. M., Datiy K.A., Valnyukova A. S. et al. Synthesis of copper nanoparticles for use in an optical initiation system // Наносистемы: физика, химия, математика. 2015. Т. 6. № 3. С. 361-365.
16. 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.
17. 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.
18. 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.
19. Газенаур Н.В., Зыков И.Ю., Каленский А.В. Зависимость показателя поглощения меди от длины волны // Аспирант. 2014.№5. С. 89-93.
20. Никитин А.П. Расчет параметров инициирования взрывного разложения тэна с наночастицами хрома // Современные фундаментальные и прикладные исследования. 2013. №2 (9). С. 29-34.
21. Каленский А. В., Звеков А. А., Ананьева М. В. и др Взрывная чувствительность композитов тэн-алюминий к действию импульсного лазерного излучения // Вестник КемГУ. 2014. № 3-3 (59). С. 211-217.
22. Каленский А. В., Зыков И. Ю., Боровикова А. П. и др. Критическая плотность энергии инициирования композитов тэн - никель и гексоген никель // Известия ВУЗов. Физика. 2014. Т. 57. № 12-3. С. 147-151.
23. Лукатова С. Г., Одинцова О. В. Взрывное разложение композитов на основе пентаэритриттетранитрата с наночастицами золота // Вестник КемГУ. 2014. № 4-2(60). С. 218-222.
24. Одинцова О. В. Расчет коэффициентов эффективности поглощения наночастиц серебра в пентаэритритатетранитрате // Современные фундаментальные и прикладные исследования. 2014. №3(14). С. 40-44.
25. Золотарев В.М., Морозов В.Н., Смирнова Е.В. Оптические постоянные природных и технических сред. Л.: Химия, 1984. 216 с.
26. Каленский А. В., Звеков А. А., Никитин А. П. и др. Особенности плазмонного резонанса в наночастицах различных металлов // Оптика и спектроскопия. 2015. Т. 18. № 6. С. 1012-1021.
27. 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.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Зависимость показателя преломления газов от их плотности. Устройство интерферометра, основанного на дифракции Фраунгофера на двух щелях. Измерение показателя преломления газов помощью интерферометра Рэлея, наблюдение интерференционных полос в белом свете.
лабораторная работа [594,8 K], добавлен 02.03.2011Оптические свойства полупроводников. Механизмы поглощения света и его виды. Методы определения коэффициента поглощения. Пример расчета спектральной зависимости коэффициента поглощения селективно поглощающего покрытия в видимой и ИК части спектра.
реферат [1,2 M], добавлен 01.12.2010Оценка влияния атмосферной термической неоднородности на атомное поглощение электромагнитного излучения. Основные сведения о спектроскопии. Эффекты Зеемана и Штарка. Профиль атомного поглощения в условиях градиента температуры. Канал передачи данных.
дипломная работа [610,6 K], добавлен 21.04.2016Физическая природа поглощения и люминесценции. Состав стекла, легированного висмутом, и спектры поглощения. Структурирование висмутовых стекол с помощью фемтосекундного лазера. Исследование температурной зависимости спектрального коэффициента поглощения.
дипломная работа [1,9 M], добавлен 14.01.2014Ознакомление с методами измерения показателя преломления с помощью микроскопа. Вычисление погрешности измерений для пластинок из обычного стекла и оргстекла. Угол отражения луча. Эффективность определения коэффициента преломления для твердого тела.
лабораторная работа [134,3 K], добавлен 28.03.2014Экспериментальные исследования распространения радиоволн в лесных средах. Частотная зависимость ослабления радиоволн лесом, зависимость их поглощения от расстояния. Теория боковых волн, их исследование в лесных покровах. Методика проведения измерений.
дипломная работа [3,1 M], добавлен 02.01.2012Расчет показателей преломления и дисперсии при заданных составах стекла. Показатель преломления и средняя дисперсия. Коэффициенты для перехода от массовых единиц к объемным долям. Зависимость показателя преломления от содержания в стекле диоксида кремния.
контрольная работа [524,4 K], добавлен 05.12.2013Теория атомно-абсорбционных измерений: излучение и поглощения света, понятие линии поглощения и коэффициента поглощения, контур линии поглощения. Принцип работы лазера. Описание работы гелий-неонового лазера. Лазеры на органических красителях.
реферат [392,9 K], добавлен 03.10.2007Нахождение показателя преломления магнитоактивной плазмы. Рассмотрение "обыкновенной" и "необыкновенной" волн, исследование их свойств. Частные случаи распространения электромагнитных волн в магнитоактивной плазме. Определение магнитоактивных сред.
курсовая работа [573,6 K], добавлен 29.10.2013Механизмы поглощения энергии излучения в полупроводниках. Принцип действия полупроводниковых фотоприемников. Характеристики и параметры фотоприемников. Темновое сопротивление, чувствительность, спектральная характеристика, охлаждаемые фотодатчики.
контрольная работа [836,3 K], добавлен 29.08.2013Понятие точечного источника света. Законы освещенности, поглощения Бугера, коэффициент поглощения. Использование для измерения освещенности фотоэлемента, величина тока которого пропорциональна освещенности фотоэлемента. Обработка экспериментальных данных.
лабораторная работа [241,8 K], добавлен 24.06.2015Измерение показателя преломления для плоско-параллельной пластинки. Измерение показателя преломления трехгранной призмы с помощью 4-х иголок. Изучение светопропускающих качеств разных материалов с помощью фотоэлемента. Определение увеличения микроскопа.
методичка [1009,3 K], добавлен 22.06.2015Определение оптики. Квантовые свойства света и связанные с ними дифракционные явления. Законы распространения световой энергии. Классические законы излучения, распространения и взаимодействия световых волн с веществом. Явления преломления и поглощения.
презентация [1,3 M], добавлен 02.10.2014Исследование функциональной полупроводниковой электроники, работающей в тепловом диапазоне. Оценка динамики температурного режима и влагосодержания тестовых материалов. Валидация метода оценки температуры по результатам подспутниковых экспериментов.
дипломная работа [1,4 M], добавлен 01.05.2015Определение показателя преломления стекла. Определение радиуса кривизны линзы по кольцам Ньютона. Определение длины световой волны при помощи дифракционной решетки. Экспериментальная проверка закона Малюса. Зависимость силы фототока от освещенности.
методичка [3,9 M], добавлен 04.01.2012Зависимость показателя преломления от частоты падающего света. Разложение сложного излучения в спектр. Уравнение движения электронов атомов вещества под действием поля световой волны. Скорости ее распространения. Суммарный дипольный момент атомов.
презентация [229,6 K], добавлен 17.01.2014Исследование понятия дисперсии, зависимости показателя преломления света от частоты колебаний. Изучение особенностей теплового излучения, фотолюминесценции и катодолюминесценции. Анализ принципа действия призменного спектрального аппарата спектрографа.
презентация [734,5 K], добавлен 17.04.2012Преобразование исходной системы уравнений к расчётной форме. Зависимость длины волны от скорости распространения. Механизмы возникновения волн на свободной поверхности жидкости. Зависимость между групповой скоростью волн и скоростью их распространения.
курсовая работа [451,6 K], добавлен 23.01.2009Оптический диапазон длин волн. Скорость распространения волн в однородной нейтральной непроводящей среде. Показатель преломления. Интерференция световых волн. Амплитуда результирующего колебания. Получение интерференционной картины от источников света.
презентация [131,6 K], добавлен 18.04.2013Оптический диапазон длин волн. Показатель преломления среды. Вектор напряженности электрического поля, его модуль амплитуды. Связь оптических свойств вещества с его электрическими свойствами. Интерференция световых волн. Сложение когерентных волн.
презентация [131,6 K], добавлен 24.09.2013