Информационное письмо
Образец оформления статьи
Анкета автора
28.06.2016

Оптические свойства наночастиц никеля в различных матрицах на длине волны 1064 НМ

Иващенко Гюнель Эюб кызы
магистрант 2 курса кафедра химии твердого тела и химического материаловедения, химический факультет, Кемеровский государственный университет Кемерово, Россия
Аннотация: Рассчитаны оптические свойства сферических наночастиц никеля радиусов от 10 до 180 нм в различных прозрачных матрицах с коэффициентами преломления от 1 (вакуум) до 2.5 с шагом 0.05 на длине волны 1064 нм. Максимальный коэффициент эффективности поглощения увеличивается с ростом коэффициента преломления матрицы, что было ожидаемо. Максимальный коэффициент эффективности рассеяния света в зависимости от коэффициента преломления матрицы демонстрирует экстремальную зависимость, что впервые обнаружено для металлов подгруппы железа.
Ключевые слова: наночастицы, никель, оптические свойства, коэффициент эффективности поглощения, коэффициент эффективности рассеяния
Электронная версия
Скачать (705.5 Kb)

Наночастицы подгруппы железа, в том числе - никеля, входят в состав магнитных жидкостей, широко используются в медицине и биологии, создании современных катализаторов и солнечных батарей, переключающих устройств нелинейной оптики [3, c. 628] и высокоскоростных оптических устройств [7, c. 687]. Как мы видим, основное применение наночастиц связано с уникальными оптическими свойствами наночастиц никеля [17, c. 34]. Оптимизация перечисленных выше исполнительных связано с улучшением этих характеристик. Исследование оптических свойств наночастиц металлов в прозрачных матрицах является отдельной задачей современной физической оптики. В настоящее время активно развиваются экспериментальные и теоретические методы их определения [8, c. 127, 9, с. 61]. На оптические свойства наночастиц металлов влияет целый ряд факторов: природа металла и матрицы, радиус и форма наночастицы, длина волны света [11, c. 45]. Поглощение излучения сопровождается эффективным нагреванием наночастицы, изменяющаяся температура также существенно влияет на оптические свойства, что показано в работах [10, c. 55, 26, с. 184]. Экспериментальному исследованию оптических свойств наночастиц никеля в практически важных средах с показателями преломления 1.5 (гексоген) и 1.54 (пентаэритрит тетранитрат) на основной и второй гармониках неодимового лазера посвящены работы.

Целью настоящей работы является расчет коэффициентов эффективности поглощения Qabs и рассеяния (Qsca) наночастиц никеля в прозрачных матрицах с различной оптической плотностью на основной гармонике неодимового лазера

Использование основной гармоники неодимового лазера диктуется следующими причинами:

– наиболее мощные источники монохроматического излучения в наносекундном диапазоне это неодимовый лазер [12, c. 38],

– начиная с конца прошлого века, экспериментальные закономерности взрывного разложения взрывчатых веществ получены на неодимовом лазере в качестве источника импульсного монохроматического излучения [28, c. 41],

– оптические свойства наночастиц многих металлов определены наиболее точно на длине волны 1064 нм [6, c. 361, 13, с. 27, 34, с. 41].

Коэффициенты эффективности поглощения и рассеяния наночастиц никеля для основной частоты неодимового лазера (1064 нм).

Каждая практически важная научная задача имеет как экспериментальное, так и теоретическое решение. С быстрым развитием вычислительной техники, алгоритмов расчета и программных комплексов теоретический подход на начальном этапе является приоритетным [1-5]. Методика решения современных научных задач опирается на начальное пионерское экспериментальное исследование [18, 21, c. 99, 24, с. 148, 27, с. 12], имеющее в основном поисковый характер, и определяющее основные контуры модели процессов, значимых для исследуемого явления [14, c. 98, 15, с. 12, 20, с. 4]. Далее идет этап создания и проверки частных законов, поиск и экспериментальная проверка оптимальных характеристик процесса для практического использования эффекта [25, с. 53, 29]. Возможность экспериментального определения характеристик наночастиц алюминия в PETN показана экспериментально на длинах волн рубинового [8, c. 127] и основной частоты неодимового лазера [9, с. 61]. Проведенные экспериментальные исследования и теоретические расчеты корпоративных оптических свойств композитов на основе прозрачной матрицы с наночастицами ряда металлов подгруппы железа, алюминия и меди выявил ожидаемую тесную связь рассеивающих свойств отдельных наночастиц со спектром отражения композита [35, с. 55]. В работе остановимся на расчете традиционно используемые в физической оптике характеристик наночастиц: коэффициентов эффективности поглощения и рассеяния, равных отношению сечений соответствующих процессов к геометрическому сечению наночастицы (πR2).

Расчет оптических свойств наночастиц рационально проводить по теории Ми, применимость которой доказана в работе [23, с. 1013] даже вблизи плазмонного резонанса. Первым шагом является определения оптических констант исследуемых наночастиц [13, с. 27, 33, с. 32, 35, с. 53]. Для металлов этим параметром является комплексный показатель преломления (mi). Учет материала матрицы осуществляется с помощью показателя преломления (ma) матрицы, в приближении, что она является прозрачной для излучения (отсутствует комплексная составляющая показателя преломления). Для наночастиц никеля значение комплексного показателя преломления на основной частоте неодимового лазера mi = 2.6024 - 5.8345i [19, с. 341]. Показатели преломления матрицы в настоящих расчетах изменялись от 1 до 2.5 с шагом 0.05. Первое значение соответствует воздуху, в районе ma = 1.5 – некоторым органическим веществам, включая гексоген и PETN [24, с. 148, 31, с. 39]. Показателем преломления около 2 обладает более плотное инициирующее взрывчатое вещество – азид серебра [20, с. 4], на базе которого создан капсюль оптического детонатора [29]. Для уверенного построения рядовых зависимостей и формулирования искомых закономерностей добавлен расчет гипотетической матрицы с показателем преломления 2.5. Отсутствие комплексной составляющей ma означает отсутствие потерь энергии лазера на поглощение матрицы, поэтому исследуемые матрицы являются прозрачными. Данное допущение является общепринятым, так как поглощение в области примесного поглощения практически отсутствует и экстинкция определяется процессами рассеяния на оптических неоднородностях [1-21]. Естественно, при длительном хранении взрывчатых веществ при повышенных температурах будет наблюдаться частичное разложение матрицы, однако при разложении гексогена выделяются газообразные продукты реакции, которые не увеличивают поглощение. Разложение азида серебра сопровождается появлением твердых продуктов разложения анионной подрешетки (наночастицы серебра), которые хорошо поглощают синюю область видимого света, однако в районе второй и основной гармоник неодимового лазера излучение практически не поглощается [1, с. 471, 2, с. 182].

Для решения данного класса задач теория Ми была успешно адаптирована в работах [15-17, 21-26, 30-35]. В настоящей работе кроме изменения радиуса наночастиц варьируется коэффициент преломления матрицы. Значения коэффициентов эффективности поглощения и рассеяния наночастиц в зависимости от радиуса (R) никеля и показателя преломления матрицы рассчитывались по хорошо зарекомендовавшей себя методике [23, с. 1013] и приведены на рисунке и в таблице.

Рисунок 1 – Зависимости коэффициента эффективности поглощения от радиуса наночастиц никеля рассчитанные при различных значениях ma
Рисунок 1 – Зависимости коэффициента эффективности поглощения от радиуса наночастиц
никеля рассчитанные при различных значениях ma.
Нижняя сплошная при ma = 1, далее выше 1.25, 1.5, 1.75, 2, 2.25 и 2.5.

На рисунке 1 приведены зависимости Qabs(R) наночастиц никеля в семи матрицах с различными ma. С ростом оптической плотности среды максимальные значения Qabsсущественно увеличиваются, а радиусы соответствующие этим максимумам смещаются в сторону наночастиц меньшего размера.

Таблица 1. Максимальные значения коэффициентов эффективности поглощения (Qa), рассеяния (Qs),
экстинкции (Qe) наночастиц никеля и радиусы им соответствующие (Ra, Rs и Re) при различных показателях преломления матрицы (ma)

ma

Qa

Ra

Qs

Rs

Qe

Re

1

0.6572

157.2

2.5128

188.0

3.1241

183.2

1.05

0.6928

149.0

2.5222

178.4

3.1659

173.6

1.1

0.7289

141.6

2.5311

169.7

3.2075

164.8

1.15

0.7655

134.8

2.5393

161.7

3.2488

156.8

1.20

0.8027

128.5

2.5469

154.4

3.2897

149.5

1.25

0.8405

122.7

2.5538

147.7

3.3303

142.8

1.30

0.8789

117.4

2.5598

141.6

3.3703

136.6

1.35

0.9180

112.4

2.5650

135.9

3.4098

130.9

1.40

0.9578

107.8

2.5692

130.6

3.4487

125.6

1.45

0.9984

103.5

2.5725

125.7

3.4870

120.7

1.50

1.0398

99.4

2.5746

121.2

3.5246

116.0

1.55

1.0820

95.6

2.5757

116.9

3.5614

111.7

1.60

1.1250

92.0

2.5756

113.0

3.5974

107.7

1.65

1.1688

88.7

2.5743

109.3

3.6326

103.9

1.70

1.2135

85.5

2.5717

105.8

3.6669

100.3

1.75

1.2590

82.5

2.5679

102.5

3.7003

96.9

1.80

1.3054

79.7

2.5627

99.4

3.7328

93.7

1.85

1.3525

77.0

2.5563

96.6

3.7642

90.7

1.90

1.4004

74.4

2.5486

93.8

3.7946

87.8

1.95

1.4491

72.0

2.5395

91.3

3.8240

85.1

2

1.4985

69.7

2.5292

88.8

3.8523

82.5

2.05

1.5485

67.5

2.5176

86.5

3.8794

80.0

2.10

1.5991

65.4

2.5047

84.3

3.9055

77.7

2.15

1.6502

63.4

2.4906

82.3

3.9303

75.4

2.20

1.7018

61.4

2.4753

80.3

3.9540

73.2

2.25

1.7537

59.6

2.4588

78.4

3.9764

71.1

2.30

1.8060

57.8

2.4412

76.7

3.9975

69.2

2.35

1.8584

56.1

2.4225

75.0

4.0174

67.2

2.40

1.9109

54.5

2.4028

73.4

4.0359

65.4

2.45

1.9633

53.0

2.3821

71.9

4.0530

63.6

2.50

2.0156

51.5

2.3605

70.5

4.0688

61.9

Для наночастиц никеля, находящихся в вакууме максимальный коэффициент поглощения основной частоты неодимового лазера составляет 0.6572 при R(Ra) = 157.2 нм, в среде с ma = 1.25 уже 0.8405 при значительно меньшем значении Ra = 122.7 нм. При ma = 1.5 (гексоген) максимальное значение Qabs (Qa) уже превышает 1 (1.0398) при Ra = 99.4 нм, при ma = 1.75 (азид свинца) Qa = 1.2590 при Ra = 82.5 нм. При ma = 2 (азид серебра) Qa почти достигает полутократного значения (1.4985) при Ra = 69.7 нм, при ma = 2.25 (полудрагоценные камни) Qa = 1.7537 при Ra = 59.6 нм, а в среде с n = 2.5 Qa достигает 2.0156 (увеличиваясь почти в 3 раза по сравнению с никелем в воздухе) при Ra = 51.5 нм. Радиус, соответствующий максимальному Qabs, с ростом ma в 2.5 раза уменьшается более чем в 3 раза со 157.2 до 51.5 нм. Таким образом, поглощающие свойства наночастиц существенно зависят от показателя преломления матрицы, в которой они находятся. Более подробно рассчитанные величины максимальных значений Qabs (Qa) и радиусов, им соответствующих представлены в таблице. Однако долее подробное рассмотрение рисунка приводит к неожиданному результату: вне зависимости от ma в практически важном диапазоне показателей преломления от 1.5 до 2 существует диапазон радиусов (от 80 нм до 100 нм), в котором значения Qabs меняются несущественно.

Коэффициент эффективности поглощения непосредственно влияет на процесс поглощения лазерного излучения, что в дальнейшем значительно сказывается на температуре разогрева наночастиц и матрицы, вступающей с ними в тепловой контакт. Исходя из этого, интенсивно поглощающие излучение наночастицы никеля могут быть центрами инициирования химической реакции в энергетических материалов на основе композитов бризантных взрывчатых веществ и наночастиц металлов.

Особенностью зависимостей Qsca(R) наночастиц металлов в прозрачных матрицах является выход на стационарное значение Qsca с практически невыраженным максимумом. В таблице представлены максимальные значения Qsca(Qs) наночастиц никеля в прозрачных матрицах с переменным коэффициентом преломления. Значение Qs слабо зависит от ma, при этом вначале наблюдается синхронный рост ma и Qs. Значения максимальных значений Qs составляет 2.5128 в вакууме и далее увеличивается до 2.5757 при ma = 1.55. Для азида серебра (ma = 2) Qs. уже существенно уменьшается (2.5292) и далее в исследуемом диапазоне до 2.3605. После достижения глобального максимального значения Qs = 2.5757 при ma = 1.55 наблюдается значительное (9 %) уменьшение этого достаточно важного параметра. К его рассмотрению этого нового и достаточно неожиданного эффекта на широком круге металлов и различной спектральной области необходимо обязательно вернуться в дальнейших работах.

В тоже время, радиусы наиболее рассеивающей наночастицы (Rs) демонстрируют хорошо понятную тенденцию: ma – выше, Rs – ниже. При небольших радиусах наночастицах можно воспользоваться законом Релея. Однако выход к мало изменяющемуся значению Qsca происходит при различных радиусах. Поэтому, чем меньше ma, тем более плавно происходит увеличение Qsca до максимального значения.

Рассеивающие свойства наночастиц опосредованно существенно влияют на разогрев наночастицы лазерным импульсом, через повышение освещенности в образце. Многократное рассеяние света приводит к локальному повышению освещенности в образце. Исследование корпоративных процессов рассеяния возможно также при широком варьировании как толщины образца, так и массовой концентрации наночастиц. Неординарным является в этом случае зависимость критических параметров инициирования взрывного разложения от диаметра зоны облучения, когда уменьшение размерного параметра приводит к падению освещенности в системе и росту необходимой для реализации взрывчатого разложения плотности энергии импульса [18]. Уменьшение размеров кристаллов приводят к аналогичным последствиям [1, с. 471, 2, с. 182]. Все эти эффекты экспериментально обнаружены при инициировании кристаллов азида серебра неодимовым лазером и могут успешно интерпретированы в рамках терминов рассеяния света и повышения освещенности. При всех значениях коэффициента преломления матрицы значения Qa на основной гармоник неодимового лазера уступают Qs (таблица). Поэтому значения коэффициента эффективности экстинкции (ослабления) определяется преимущественно рассеянием. Оптимальны радиус экстинкции (Re) находится ближе к Rs. В тоже время значения максимальных коэффициентов эффективности поглощения на уровне 2 и рассеяния на уровне 2.5 приводит к усилению освещенности в образце, и в целом способствует использованию наночастиц никеля в исполнительных устройствах, в том числе – в капсюлях оптических детонаторов. Автор выражает 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 // Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Химия. – 2014. – Т. 7. – № 4. – С. 470-479.

2. 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.

3. Ananyeva M.V., Kalenskii A.V. et al The optical properties of the cobalt nanoparticles in the transparent condensed matrices // Наносистемы: физика, химия, математика. – 2015. – Т. 6. – № 5. С. – 628 - 636.

4. 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.

5. Kalenskii A.V., Kriger V. G. et al The microcenter heat explosion model modernization // Известия ВУЗов. Физика. – 2012. – Т. 55. – № 11-3. – С. 62-65.

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. 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., 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.

9. 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.

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

11. 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

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

13. Газенаур Н.В. Коэффициенты эффективности поглощения наночастиц меди// Nauka-Rastudent.ru. – 2015. – № 8 (20). – С. 27.

14. 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.

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

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

17. Иващенко Г.Э.К. Кинетика образования очага взрывного разложения композитов PETN-Ni // Современные фундаментальные и прикладные исследования. – 2015. – № 3 (18). – С. 33-40.

18. Каленский А.В. Кинетика и механизмы разветвленных твердофазных цепных реакций в азидах серебра и свинца: дис. … докт. физ.-мат. наук. Кемерово, 2008. – 278 с.

19. 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.

20. Каленский А.В., Ананьева М.В., Боровикова А.П., Звеков А.А. Вероятность генерации дефектов по Френкелю при разложении азида серебра // Химическая физика. – 2015. – Т. 34. – № 3. – С. 3–9.

21. 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.

22. Каленский А.В., Звеков А.А., Никитин А.П., Ананьева М. В. Оптические свойства наночастиц меди// Известия ВУЗов. Физика. – 2015. – Т. 58. – № 8. – С. 59-64.

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. и др. Критическая плотность энергии инициирования композитов тэн - никель и гексоген – никель // Известия ВУЗов. Физика.– 2014. – Т. 57. – № 12-3. – С. 147-151.

25. 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.

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., Ципилев В.П., Боровикова А.П. и др. Закономерности разлета продуктов взрыва монокристаллов азида серебра// Фундаментальные проблемы современного материаловедения. – 2008. – Т. 5. – № 1. – С. 11-15.

28. Кригер В.Г., Каленский А.В. Размерный эффект при инициировании разложения азидов тяжелых металлов импульсным излучением // ХФ. – 1996. – Т. 15. – № 3. – С. 40-47.

29. Кригер В.Г., Каленский А.В., Ананьева М.В., Звеков А.А. Способ регулирования порога инициирования оптического детонатора // патент на изобретение. – 2014. – RUS 2538263 26.06.2013.

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

31. Одинцова О.В.Расчет взрывной чувствительности композитов пентаэритритатетранитрат-серебро к действию лазерного импульса // Современные фундаментальные и прикладные исследования. – 2014. – № 4 (15). – С. 38-43.

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

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

34. 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.

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