Информационное письмо
Образец оформления статьи
Анкета автора
31.05.2015

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: 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
Электронная версия
Скачать (514.4 Kb)

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]: 

1.png

Коэффициент эффективности поглощения света рассчитывался как разность коэффициентов эффективности экстинкции и рассеяния (Qabs = QbxtQsca) [27-29]. Данные величины равны отношению сечений экстинкции, рассеяния и поглощения к геометрическому сечению шара (πR2). Величины в скобках, определяющие вклады электрических Fcl и магнитных Fbl колебаний в каждый из коэффициентов эффективности, имеют вид:

2.png

где 3.png - безразмерный радиус наночастицы, m0показатель 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)

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)

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.