Информационное письмо
Образец оформления статьи
Анкета автора
29.11.2015

Спектральные зависимости оптических свойств наночастиц вольфрама в видимой части спектра

Иващенко Гюнель Эюб кызы
магистрант 2 курса кафедра химии твердого тела и химического материаловедения, химический факультет, Кемеровский государственный университет Кемерово, Россия
Радченко Кристина Анатольевна
магистрант 2 курса кафедра химии твердого тела и химического материаловедения, химический факультет, Кемеровский государственный университет Кемерово, Россия
Аннотация: По данным различных источников комплексного показателя преломления вольфрама в видимой части спектра рассчитаны оптические характеристики наночастиц и пленок вольфрама в диапазоне от 475 нм до 650 нм. Рассчитанные по различным табличным данным значения максимальных коэффициентов эффективности поглощения наночастиц существенно различаются, однако по данным одного источника практически не зависят от длины волны видимой части спектра, что отличает наночастицы вольфрама от других металлов и открывает эксклюзивные возможности использования наночастиц в оптических системах.
Ключевые слова: наночастицы вольфрама, оптические свойства, комплексный показатель преломления
Электронная версия
Скачать (519.8 Kb)

Решение проблем здравоохранения является одной из основных задач современной науки. Для профилактики заболеваний рака кожи необходима разработка портативных актинометрических датчиков измерения солнечной активности. Современные датчики актинометрии обладают достаточно внушительными размерами, дорогой и сложной эксплуатацией, тем самым ограничивая круг пользователей данных датчиков профессиональными метеорологами. В тоже время по данным за 2011 год, в России злокачественные новообразования кожи занимают первое место (14 процентов), опережая рак молочной железы у женщин (11,1 процентов) и рак легких у мужчин (11 процентов). Для революционного изменения ситуации необходима разработка дешевого портативного актинометрического датчика солнечной активности, позволяющего людям самостоятельно оценивать риск заболевания раком кожи. Спектр применения наночастиц металлов простирается от здравоохранения и состава чувствительного элемента датчика актинометрии [6, 18] до включений в матрицу взрывчатого вещества [1, 2, 12] с целью создания безопасных оптических детонаторов. Использование некоторых металлов в настоящее время явно недостаточно: годовая потребность мировой промышленности вольфрама всего 30 тысяч тонн. Для открытия новых (выше обозначенных) направлений применения наночастиц и пленок вольфрама необходимы предварительные теоретические оценки оптических свойств металла [27]. Оценка перспективности применения наночастиц вольфрама в качестве добавок к инициирующему [1, 2, 12, 14-15] или бризантному взрывчатых веществ (ВВ) [5-11, 19-22, 24-26] в капсюлях оптических детонаторов определяется в первую очередь большим значением сечения поглощения [16, 23]. Это должно приводить к интенсивному нагреву наночастицы при облучении светом с относительно небольшой плотностью энергии [5, 6, 13]. Цель работы: оценка комплексных показателей преломления (mi) вольфрама в диапазоне от 475 нм до 650 нм, а также показателей поглощения пленок и максимальных значений коэффициента эффективности поглощения.

В работе [1] показана возможность решения данной задачи в рамках теории Ми даже в спектральном диапазоне около плазмонного резонанса. В работах [10-11, 16-19] сформулирована и апробирована методика расчета оптических свойств наночастиц и нанопленок металлов в вакууме или оптически плотной матрице. Вначале необходима интерполяция mi на актуальные длины волн. Для получения достоверных результатов в работе использованы данные двух источников [3, 4] значений комплексного показателя преломления вольфрама. Далее - расчет актуальных оптических характеристик наночастиц при варьируемых параметрах металла (радиус) [3, 4], излучения (длина волны) [3, 4], матрицы (показатель преломления или оптическая плотность прозрачной матрицы) [25]: коэффициентов эффективности поглощения [25], рассеяния и экстинкции [17], индикатрисы рассеяния [17]. И оценка интегральных оптических характеристик композита в зависимости от радиуса, массовой концентрации и природы металла, толщины и оптической плотности матрицы и длины волны света: коэффициентов отражения, поглощения и прохождения, пространственной освещенности в образце [7, 9]. Задача расчета показателя поглощения (α) пленок металла значительно легче: его определяет модуль мнимой части комплексного показателя поглощения (α=4π∙Im(mi)/λ, где λ – длина волны). С помощью данной методики создан оптический детонатор на основе инициирующего ВВ [1, 2, 12, 14-15], и вторичного ВВ с наночастицами алюминия [5, 8 - 11, 21, 22], кобальта [13], никеля [7, 13, 19, 20, 24], хрома [26], меди [6, 16], серебра [18], золота [11].

В таблицу внесены длины волн актуальной части солнечного спектра от 475 нм до 650 нм через 5 нм (1 столбец). Особняком стоит длина волны 532 нм, которая соответствует второй гармонике неодимового лазера (наиболее мощный источник импульсного излучения в этой части спектра [5 - 17]). Коэффициенты эффективности поглощения (Qabs) наночастиц вольфрама радиуса (R) рассчитывались в рамках теории Ми (как в работах [19-26]). Рассчитываемая зависимость Qabs(R) определяется значением комплексного показателя преломления металла на данной длине волны и показателем преломления матрицы (1 для вакуума). Вначале необходимо оценить значения действительных и мнимых частей mi на актуальных длинах волн. Табличные данные из различных источников [3, 4] аппроксимировали на λ и представили в столбцах 2-5 таблицы. Методика интерполяции по всем имеющимся данным разработана в работах [5-27].

Таблица. Рассчитанные значения действительных и модулей мнимых частей mi, максимальных значений коэффициентов поглощения наночастиц и a пленок вольфрама оцененным по данным [3] и [4]

λ, нм

Re(mi) [4]

Re(mi) [3]

Im(mi)

[4]

Im(mi) [3]

Qm1

Qm2

a1, мкм -1

a2, мкм-1

475

3.7710

2.9905

0.7970

2.2673

1.8358

1.5993

21.0845

59.9833

480

3.7820

2.9941

0.7970

2.2801

1.8344

1.5961

20.8654

59.6933

485

3.7861

3.0009

0.7980

2.2936

1.8335

1.5924

20.6763

59.4262

490

3.7890

3.0104

0.8000

2.3076

1.8322

1.5884

20.5165

59.1792

495

3.7968

3.0225

0.8026

2.3221

1.8301

1.5839

20.3761

58.9495

500

3.8070

3.0369

0.8050

2.3370

1.8277

1.5791

20.2319

58.7347

505

3.8161

3.0532

0.8063

2.3522

1.8259

1.5741

20.0650

58.5321

510

3.8250

3.0711

0.8070

2.3677

1.8245

1.5688

19.8844

58.3394

515

3.8354

3.0904

0.8075

2.3833

1.8229

1.5633

19.7034

58.1542

520

3.8470

3.1108

0.8080

2.3990

1.8212

1.5577

19.5262

57.9745

525

3.8589

3.1319

0.8086

2.4147

1.8209

1.5521

19.3538

57.7980

530

3.8690

3.1535

0.8090

2.4303

1.8217

1.5464

19.1815

57.6227

532

3.8720

3.1622

0.8091

2.4365

1.8220

1.5441

19.1112

57.5525

535

3.8761

3.1753

0.8090

2.4457

1.8224

1.5408

19.0021

57.4466

540

3.8850

3.1969

0.8080

2.4609

1.8235

1.5352

18.8030

57.2679

545

3.8993

3.2182

0.8060

2.4757

1.8253

1.5297

18.5834

57.0847

550

3.9120

3.2387

0.8050

2.4902

1.8267

1.5245

18.3926

56.8951

555

3.9170

3.2583

0.8068

2.5041

1.8268

1.5194

18.2678

56.6977

560

3.9210

3.2765

0.8090

2.5174

1.8266

1.5146

18.1539

56.4906

565

3.9311

3.2932

0.8092

2.5301

1.8275

1.5101

17.9974

56.2725

570

3.9420

3.3084

0.8090

2.5421

1.8286

1.5059

17.8354

56.0434

575

3.9477

3.3222

0.8103

2.5534

1.8287

1.5020

17.7091

55.8038

580

3.9510

3.3347

0.8120

2.5641

1.8286

1.4983

17.5929

55.5543

585

3.9559

3.3461

0.8127

2.5742

1.8289

1.4949

17.4570

55.2954

590

3.9610

3.3565

0.8130

2.5836

1.8292

1.4918

17.3160

55.0276

595

3.9648

3.3662

0.8139

2.5924

1.8293

1.4889

17.1888

54.7514

600

3.9710

3.3751

0.8150

2.6006

1.8295

1.4861

17.0693

54.4673

605

3.9827

3.3835

0.8159

2.6083

1.8303

1.4836

16.9460

54.1757

610

3.9960

3.3915

0.8160

2.6153

1.8313

1.4812

16.8101

53.8771

615

4.0064

3.3993

0.8155

2.6218

1.8323

1.4790

16.6623

53.5719

620

4.0130

3.4069

0.8160

2.6278

1.8326

1.4769

16.5390

53.2605

625

4.0169

3.4146

0.8188

2.6332

1.8321

1.4750

16.4633

52.9434

630

4.0220

3.4224

0.8210

2.6381

1.8319

1.4731

16.3762

52.6212

635

4.0314

3.4302

0.8198

2.6425

1.8329

1.4714

16.2229

52.2947

640

4.0420

3.4380

0.8170

2.6465

1.8345

1.4698

16.0418

51.9648

645

4.0491

3.4458

0.8157

2.6501

1.8354

1.4683

15.8927

51.6321

650

4.0480

3.4536

0.8190

2.6534

1.8343

1.4668

15.8336

51.2976


Обращает внимание, что экспериментальные данные по mi значительно отличаются из различных источников. Более поздние данные определяют несколько (~ 15 %) меньшие значения действительной части комплексного показателя преломления (2 и 3 столбцы). Однако для модулей мнимых частей различие очень существенное (почти в 3 раза увеличение в более позднем издании). Мнимая часть mi определяет показатель поглощения пленок металла (a1 иa2), поэтому рассчитанные данные столбцов 8 и 9 существенно различаются. Общепризнанным методом определения mi металла является элипсометрия (заключается в измерении поляризации света, отраженного пленкой металла). Точность метода позволяет уточнить значения комплексного показателя преломления металла. Однако вернемся к оптическим свойствам наночастиц, которые востребованы в исполнительных устройствах. Как по данным [3], так и по более поздним данным [4] спектральные зависимости мнимых и действительных частей mi практически отсутствуют (менее 10 %). Для других металлов [5-26] Re(mi) и Im(mi) изменяются в несколько раз в этом спектральном диапазоне.

Следствием этого является практически постоянное значение максимальных значений коэффициентов эффективности поглощения наночастиц вольфрама (Qm1 – столбец 6 рассчитанный по данным mi из столбцов 2 и 4, Qm2 – столбец 7 рассчитанный по данным mi из столбца 3 и 5). Практически постоянные значения максимальных коэффициентов эффективности поглощения наночастиц вольфрама в видимой части солнечного спектра открывает широкие возможности использования этого материала в исполнительных устройствах различного назначения (в том числе в портативных датчиках солнечной активности, оптических детонаторах). Авторы выражают благодарность научному руководителю профессору А. В. Каленскому.

Список литературы:

1. Ananyeva M. V., Kalenskii A. V. The size effects and before-threshold mode of solid-state chain reaction // ЖСФУ. Серия: Химия. – 2014. – Т. 7. – № 4. – С. 470-479.

2. 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.

3. Barnes B. T. Optical constants of incandescent refractory metals. // J. Opt. Soc. Am. – 1966. – V. 56. – № 11. – С. 1546-1550.

4. Dallaporta H., Debever J.M., Hanus J.. Thermoreflectance of tungsten from 0.3 to 4.5 eV. // Journal de Physique Lettres. – 1976. – V. 37. № 6. – С. 139-141.

5. 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.

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

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

8. 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.

9. 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.

10. 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.

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

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

13. 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.

14. Боровикова А. П., Каленский А. В., Зыков И. Ю.Пространственно - временные характеристики волны горения в азиде серебра // Аспирант. – 2014. – №3. – С. 37-42.

15. Боровикова А. П., Кригер В. Г., Каленский А. В. и др. Закономерности распространения реакции взрывного разложения кристаллов азидов серебра и свинца // Ползуновский вестник. – 2008. – № 3. – С. 66-70.

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

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. Игнатов И. И., Мосин О. В. Методы получения наночастиц коллоидного серебра и области их практического применения // Вестник развития науки и образования. – 2013. – № 3. – С. 30-42.

19. 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.

20. 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.

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., Звеков А. А., Зыков И. Ю. и др. Чувствительность композитов гексоген-алюминий // Известия ВУЗов. Физика. – 2014. – Т. 57. – № 12-3. – С. 142-146.

23. 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.

24. 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.

25. 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.

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

27. Шайтова Н. Ж. Новые информационные технологии // NovaInfo.Ru. – 2013. – № 13. – С. 32-34.