Плазмонный резонанс. Международный студенческий научный вестник Локализованные резонансы рассеяния и поглощения в наночастицах

Спектроскопия оптического поглощения - один из старейших методов физико-химического анализа биомолекул. Однако невысокие его чувствительность и пространственное разрешение не позволяют изучать процессы с участием низких концентраций белка. Учёным из Беркли удалось «продлить век» оптическому методу за счёт сопряжения его с другим принципом, применяемым в биофизических и биохимических исследованиях, - плазмонным резонансом . Оказалось, что в спектре упругого рассеяния на наночастицах золота, введённых в клетку, могут появляться специфические «провалы», соответствующие частотам, на которых поглощают некоторые биологические молекулы (например, металлопротеины). Исследователи называют этот эффект миграцией энергии плазмонного резонанса и объясняют его непосредственным взаимодействием частиц золота с адсорбирующимися на них молекулами белка. Предложенный метод обладает невиданной ранее чувствительностью: с его помощью можно определять если и не единичные молекулы белка, то, по крайней мере, их десятки .

Оптическая спектрометрия позволяет изучать белки, обладающие оптической плотностью в видимом диапазоне электромагнитного излучения (хромопротеины) с помощью измерения поглощения света на определённых («характеристических» для конкретных молекул) длинах волн. Однако для таких измерений требуются довольно высокие концентрации белкá, да и пространственное разрешение этого метода весьма низкое (обычно изучают растворы молекул, находящиеся в спектрометрических кюветах, и речи о том, где именно в клетке расположены изучаемые молекулы, просто не идёт). Гораздо большей чувствительностью обладают методы, основанные на измерении флуоресценции (вместе с конфокальной микроскопией они позволяют определять месторасположение молекул внутри живой клетки), но тут необходимо модифицировать изучаемые молекулы специальными молекулами-метками, что не всегда желательно и возможно. Другой часто используемый в биологии метод - спектроскопия ядерного магнитного резонанса - также требует довольно больших концентраций белка и часто - изотопного мечения объекта, сложного в условиях живых систем.

Предлагаемая учёными из Беркли методика (статья опубликована в журнале Nature Methods ) основана на введении в живые клетки наноскопических частиц золота контролируемого размера (20–30 нм). Электроны на поверхности частиц из таких металлов как золото или серебро коллективно осциллируют в ответ на облучение светом определённой длины волны - это явление известно как плазмонный резонанс (см. врезку). Резонансные частоты этих наночастиц зарегистрировать намного легче, чем слабый (из-за очень низких концентраций) оптический сигнал от биологических молекул, что и позволяет проводить измерения.

Мы стояли на плоскости
С переменным углом отражения,
Наблюдая закон,
Приводящий пейзажи в движение.

Повторяя слова,
Лишенные всякого смысла,
Но без напряжения,
Без напряжения.
Б.Г.

Литература

1. Gang Logan Liu, Yi-Tao Long, Yeonho Choi, Taewook Kang, Luke P Lee. (2007). Quantized plasmon quenching dips nanospectroscopy via plasmon resonance energy transfer . Nat Methods . 4 , 1015-1017;
2. New nanoparticle technique captures chemical reactions in single living cell with amazing clarity . (2007). ScienceDaily .

, поляритон , плазмон , нанофотоника Определение плазмонный резонанс (в случае наноразмерных металлических структур - локализованный плазмонный резонанс) – это возбуждение поверхностного плазмона на его резонансной частоте внешней электромагнитной волной. Описание

Поверхностный плазмон непосредственно не связан с электромагнитным излучением в прилегающей к металлу среде, так как его скорость меньше скорости света. Технический прием, позволяющий использовать поверхностные плазмоны в оптике, основан на использовании полного внутреннего отражения. При полном внутреннем отражении вдоль отражающей свет поверхности распространяется электромагнитная волна, скорость которой меньше скорости света и зависит от угла падения. Если при определенном угле падения скорость этой волны совпадет со скоростью поверхностного плазмона на поверхности металла, то условия полного внутреннего отражения нарушатся, и отражение перестанет быть полным, возникнет поверхностный плазмонный резонанс.

В наноразмерных металлических системах происходит модификация коллективных электронных возбуждений. Коллективное электронное возбуждение металлических наночастиц, размер которых меньше длины волны электромагнитного излучения в окружающей среде - локализованный поверхностный плазмон, - колеблется на частоте, меньшей частоты объемного плазмона в?3 раз, тогда как частота поверхностного плазмона примерно в?2 раз меньше, чем частота объемного плазмона. Из-за малого размера системы требование совпадения скорости распространения возбуждения и электромагнитной волны во внешней среде отпадает, так что локализованные поверхностные плазмоны связаны с излучением непосредственно. При совпадении частоты внешнего поля с частотой локализованного поверхностного плазмона возникает резонанс, приводящий к резкому усилению поля на поверхности частицы и увеличению сечения поглощения.

Свойства локализованных плазмонов критически зависят от формы наночастиц, что позволяет настраивать систему их резонансов на эффективное взаимодействие со светом или элементарными квантовыми системами.

В настоящее время явление поверхностного плазмонного резонанса широко применяется при создании химических и биологических сенсоров. При контакте с биообъектами (ДНК, вирусы, антитела) плазмонные наноструктуры позволяют более чем на порядок увеличить интенсивность сигналов флуоресценции, т.е. значительно расширяют возможности обнаружения, идентификации и диагностики биологических объектов.

• Наймушина Дарья Анатольевна

Ссылки

1. Перлин Е.Ю., Вартанян Т.А., Федоров А.В. Физика твердого тела. Оптика полупроводников, диэлектриков, металлов: Учебное пособие. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2008. - 216 с.
2. Pompa P.P., Martiradonna L. et al. Metal-enhanced fluorescence of colloidal nanocrystals with nanoscale control // Nature Nanotechnology - vol. 1, 2006 - P. 126 -130
3. Нащекин А.В. и др. Биосенсоры на основе поверхностного плазмонного резонанса // Cборник тезисов секционных докладов, стендовых докладов и докладов участников конкурса научных работ молодых ученых - Второй Международный форум по нанотехнологиям, 2008

Иллюстрации Теги Разделы Методы диагностики и исследования наноструктур и наноматериалов
Наука

Энциклопедический словарь нанотехнологий. - Роснано . 2010 .

Смотреть что такое "плазмонный резонанс" в других словарях:

Англ. plasmon resonance) возбуждение поверхностного плазмона на его резонансной частоте внешней электромагнитной волной (в случае наноразмерных металлических структур называется локализованным плазмонным резонансом) . Описание Технический … Википедия

Термин нанофармакология Термин на английском nanopharmacology Синонимы Аббревиатуры Связанные термины адгезия, доставка генов, антитело, бактериофаг, белки, биологическая мембрана, гипертермия, ДНК, капсид, квантовая точка, кинезин, клетка … Энциклопедический словарь нанотехнологий

Шестерни молекулярного размера на основе нанотрубок … Википедия

Наношестерни молекулярного размера Нанотехнология междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также… … Википедия

Наношестерни молекулярного размера Нанотехнология междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также… … Википедия

Наношестерни молекулярного размера Нанотехнология междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также… … Википедия

В физике, плазмон квазичастица, отвечающая квантованию плазменных колебаний, которые представляют собой коллективные колебания свободного электронного газа. Содержание 1 Объяснение 2 Возможное использование … Википедия

В физике, плазмон квазичастица, отвечающая квантованию плазменных колебаний, которые представляют собой коллективные колебания свободного электронного газа. Объяснение Плазмоны играет большую роль в оптических свойствах металлов. Свет с частотой … Википедия

Золото - (Gold) Золото это драгоценный металл Золото: стоимость, пробы, курс, скупка, разновидности золота Содержание >>>>>>>>>>>>>>>> Золото это, определение … Энциклопедия инвестора

1. Что такое наночастицы?
2. Особенности оптических процессов, происходящих на нанометровых масштабах
3. Спектральные свойства полупроводниковых частиц
4. Спектральные свойства металлических частиц
5. Гибридные наночастицы и их спектральные свойства

Используемые термины

• Дифференциальное сечение рассеяния – физическая величина, равная отношению числа частиц, рассеянных в единицу времени в единицу телесного угла d Ω, к плотности потока падающих частиц
• Полное сечение рассеяния – есть дифференциальное сечение рассеяния, проинтегрированное по полному телесному углу
• Показатель поглощения – величина, обратная расстоянию, на котором поток монохроматического излучения, образующего параллельный пучок, уменьшается в результате поглощения в среде в e раз

Что такое наночастицы ?

Под наночастицами понимают объекты размером от нескольких нанометров до нескольких сотен нанометров. Как правило, это либо кристаллы нанометровых масштабов (нанокристаллы ), либо крупные молекулы

1 – фуллерен С 60 ; 2 – однослойная полупроводниковая квантовая точка; 3 – квантовая точка типа «ядро-оболочка»; 4 – TEM снимок золотых наночастиц; 5 – TEM снимок наночастиц серебра.

Квантовые точки

В основном мы будем рассматривать частный случай наночастиц – квантовые точки . Квантовая точка – это кристалл, движение носителей зарядов (электронов или дырок) в котором ограничено по всем трем измерениям. Квантовая точка состоит из сотен атомов!

На настоящий момент химики умеют синтезировать квантовые точки самых различных составов. Наиболее распространены квантовые точки на основе кадмия (например, CdSe).

• Нанооптика изучает физические свойства, структуру и способы создания световых полей, локализованных на нанометровых масштабах.
• Традиционная оптика и лазерная физика имеют дело со световыми полями в дальней (волновой) зоне R» λ.
• Специфика оптического диапазона – дипольное приближение размер излучателя a« λ → a ~0.1 – 1 нм; λ ~0.2 – 1 мкм (УФ – ИК).
• Оптика ближнего поля (субволновая оптика ) имеет дело с полями на расстояниях от источника (объекта) R« λ (вплоть до нескольких нм ).
• В таких условиях в дополнение к обычным (распространяющимся) волнам надо учитывать локализованные (эванесцентные) волны! Это в особенности важно при рассмотрении ансамблей частиц !

Учет ближнепольного взаимодействия приводит к качественному изменению поведения полей

Учет влияния локализованных полей приводит к возможности распространения света, поляризация которого направлена вдоль направления распространения. Такие волны (называемые продольными) не учитываются в обычной оптике. Однако при работе с нанометровыми объектами интенсивности таких волн могут превышать интенсивности обычных (поперечных) электромагнитных волн.

Простейший нанофотонный разветвитель

Слева: Поляризация в направлении X, вдоль распространения волны

Справа: Поляризация в направлении Y, поперек распространения волны

Особенности оптических процессов, происходящих на нанометровых масштабах

• Необходимо учитывать влияние локализованных полей
• Электромагнитные поля вблизи наноструктур существенно отличаются от полей в свободном пространстве и в объемных материалах
• Эти обстоятельства особенно важны при рассмотрении эффектов, происходящих вблизи границы наноструктур, а также при взаимодействии близко расположенных наночастиц
• Локализованные поля существуют в ограниченных частях пространства, однако интенсивности таких полей могут быть значительны, что может приводить к возникновению нелинейно-оптических явлений
• В случае, если исследуемые нанообъекты обладают размерами менее 10 нм, могут начинать играть роль квантовые эффекты, приводящие к неприменимости использования понятия диэлектрической проницаемости

Спектральные свойства полупроводниковых наночастиц

• В объемном материале электрон может занять любую незанятую позицию в зоне проводимости. Спектр фотонов, испускаемых при возвращении электрона в валентную зону, является непрерывным.
• В квантовой точке происходит ограниченное в пространстве снижение дна зоны проводимости и повышение потолка валентной зоны. В силу законов квантовой механики допустимые уровни энергии электрона при этом образуют дискретный спектр.

Уровни энергии в квантовой точке

Уровни энергии электрона и дырки обратно пропорциональны квадрату ширины квантовой точки! Выбирая различные размеры и форму квантовых точек, можно добиться того, что они будут излучать или поглощать свет заданной длины волны . Это позволяет, используя один и тот же материал , но разные размеры и форму, создавать источники света, излучающие в заданном спектральном диапазоне!

Спектры излучения квантовых точек

Зависимость флуоресценции квантовых точек «ядро-оболочка» CdSe/ZnS, облучаемых светом с l = 470 нм, от величины радиуса ядра.

Нормированные спектры испускания квантовых точек In(Ga)As , помещенных в матрицу из GaAs.

Как и в случае полупроводниковых наночастиц, спектральные свойства металлических частиц существенно зависят от их размера и формы. Однако, в отличие от полупроводников, в случае металлов это явление главным образом связано с возбуждением плазмонов . Когда свет взаимодействует с электронами, которые могут свободно перемещаться по металлу, положение электронов по отношению к положению ионов кристаллической решетки, начинает осциллировать с плазменной частотой ωp. Кванты плазменных осцилляций называются плазмонами .

В случае взаимодействия света с поверхностью металла, электромагнитная волна проникает внутрь металла лишь на очень малые расстояния (менее 50 нм для серебра и золота), поэтому основной вклад в колебания вносят электроны, расположенные вблизи поверхности. Их коллективные колебания называются распространяющимися поверхностными плазмонами . В случае же, если свободные электроны ограничены определенным конечным объемом металла (что имеет место в случае металлических наночастиц), колебания носят локализованный характер, а их кванты называются локализованными поверхностными плазмонами .

Плазмонный резонанс

В случае, если плазмонные колебания, возбуждаемые в разных частях кристалла, интерферируют конструктивно, возникает явление плазмонного резонанса . При этом существенно возрастает величина сечения экстинкции (поглощения + рассеяния). Положение пика в спектре, а также его величина, существенно зависят от формы частицы и ее размера.

Моды плазмонных колебаний, возбуждаемые при облучении нано-треугольника пучком электронов с разной энергией. В зависимости от энергии, максимумы поля оказываются в углах, вблизи центров граней и в центре треугольника

Зависимости спектров металлических наночастиц от их формы и размеров

Максимумы в спектрах рассеяния для различных металлических наночастиц: a) серебряные нанопризмы; b) золотые шарики с размером 100 нм; с) золотые шарики с размером 50 нм; d) серебряные шарики с размером 100 нм; e) серебряные шарики с размером 80 нм; f) серебряные шарики с размером 40 нм.

Зависимость спектра экстинкции наночастиц серебра от формы частицы.

Спектральные свойства металлических частиц

• Спектральные свойства металлических наночастиц связаны с явлением резонанса локализованных поверхностных плазмонов
• Положение, величина и форма спектров экстинкции металлических наночастиц зависят от формы и размера наночастиц
• Варьируя размеры и форму металлической наночастицы, можно добиться того, что максимум сечения экстинкции попадет в нужный нам спектральный диапазон
• Используя это свойство, можно существенно повысить эффективность работы солнечных батарей за счет поглощения разных частей солнечного спектра разными наночастицами

Гибридные наночастицы

Гибридные наночастицы состоят из различных материалов, например, металла и полупроводника. Так как при уменьшении размера свойства различных материалов меняются по-разному, при описании оптических свойств гибридных наночастиц необходимо учитывать взаимодействие между различными компонентами, составляющими нанообъект.

Рассмотрим оптические свойства гибридных наночастиц на примере металлоорганических наночастиц типа «ядро-оболочка», состоящих из металлического ядра и оболочки из красителя в так называемом агрегатном состоянии.

Взаимное расположение невозмущенных пиков плазмонного резонанса ядра (Ag и Au) и экситонного пика J-агрегатной оболочки красителя (TC, OC, PIC)

Типичный вид спектров поглощения света гибридными наночастицами Ag/J-агрегат и Au/J -агрегат

Зависимость характера спектров фотопоглощения гибридных наночастиц Ag/J-агрегат (положений и интенсивностей пиков ) от толщины внешней оболочки красителя при фиксированном радиусе ядра

Толщины оболочки: ℓ=2 нм (1); ℓ= 4 нм (2); ℓ= 6 нм (3); ℓ= 8 нм (4); ℓ= 10 нм (5); ℓ=12 нм (6). Радиус ядра наночастицы не меняется: r = 30 нм

Зависимость оптических свойств гибридных наночастиц от их формы

Объект исследования: 2-х слойные сфероидальные наночастицы с металличесим ядром (Ag, Au), покрытые J-агрегатом цианинового красителя.

Зависимость спектра поглощения композитных систем Ag/J-агрегат от геометрических параметров

Спектральные свойства гибридных наночастиц

• Спектральные свойства гибридных частиц существенно отличаются от свойств компонентов, составляющих наночастицу
• Взаимодействие компонент наночастицы может приводить к смещению положения пиков в сечениях поглощения, возникновению новых пиков, а также изменению пиковых значений сечений поглощения
• Положения и количество пиков в сечениях поглощения зависят от формы наночастицы
• Для несферических частиц положения максимумов поглощения зависит от поляризации падающего излучения
• Выбирая различные геометрические параметры гибридной наночастицы, можно добиться смещения пиков поглощения в требуемую спектральную область, что открывает возможность управления спектральными свойствами гибридных наночастиц

Выводы

• Оптические свойства наночастиц радикально отличаются от свойств объемного материала
• Практически для всех наночастиц спектральные характеристики существенно изменяются при изменении формы и размера частиц
• Варьируя геометрические параметры наночастиц, можно добиться требуемых оптических свойств
• При переходе к рассмотрению ансамблей наночастиц необходимо принимать во внимание взаимодействие между отдельными частицами
• Спектральные свойства гибридных наночастиц отличаются от свойств компонентов, из которых они состоят (целое не равно сумме частей!)

Список литературы

• Л. Новотный, Б.Хехт, Основы нанооптики , Москва, Физматлит 2011
• Y. Masumoto, T. Takagahara, Semiconductor Quantum Dots , Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York, 2002
• V.S. Lebedev et al, Colloids and Surfaces A 326, 204 (2008); Квантовая электроника 40, 246 (2010)
• В.С.Лебедев, А.С. Медведев, Квантовая электроника 42, 701 (2012); Квантовая электроника 43, № 11(2013); J. Russ. Laser Res. 34,303(2013)
• Р.Б. Васильев, Д.Н. Дирин, А.М. Гаськов, Успехи химии, 80, 1190 (2011)
• V. M. Agranovich, Yu. N. Gartstein, and M. Litinskaya, Chemical Reviews, 111, 5179 (2011)
• H.-E. Schaefer, Nanoscience , Springer Heidelberg Dordrecht London New York, 2010
• Sergio G. Rodrigo, Optical Properties of Nanostructured Metallic Systems , Springer Heidelberg Dordrecht London New York, 2012

При взаимодействии электромагнитного излучения с металлическими наночастицами подвижные электроны проводимости частиц смещаются относительно положительно заряженных ионов металлов решетки. Это смещение носит коллективный характер, при котором движение электронов согласованно по фазе. Если размер частицы много меньше длины волны падающего света, то перемещение электронов приводит к возникновению диполя. В результате возникает сила, стремящаяся возвратить электроны в положение равновесия. Величина возвращающей силы пропорциональна величине смещения, как для типичного осциллятора, поэтому можно говорить о наличии собственной частоты коллективных колебаний электронов в частице. Если частота колебаний падающего света совпадает с собственной частотой колебаний свободных электронов вблизи поверхности металлической частицы, наблюдается резкое увеличение амплитуды колебания «электронной плазмы», квантовым аналогом которой является плазмон. Это явление получило название поверхностный плазмонный резонанс (ППР). В спектре поглощения света появляется пик. Для частиц благородных металлов с размером порядка 10-100 нм ППР наблюдается в видимой области спектра и в ближнем инфракрасном диапазоне. Его положение и интенсивность зависит от размера, формы наночастиц и локального диэлектрического окружения. Наночастицы серебра сферической формы с диаметром 10-25 нм имеют пик поглощения вблизи 400-420 нм (рис. 1а), наночастицы золота сферической формы – 520 нм, наночастицы оксида меди (I) – 450-700 нм.

Наностержни имеют анизотропную симметрию, и поэтому в спектре поглощения наблюдаются два пика, соответствующие поперечному и продольному плазмонам Поперечный плазмон дает абсорбционный пик при 400 нм, а продольный может проявляться в интервале от 500-1000 нм, т.е. в

ближней инфракрасной области. Его положение определяется размерными факторами наностержня, а именно отношением длины к ширине.

λ, нм

λ, нм

Рис.1а Оптический спектр поглощения наночастиц серебра

Рис.1б Оптический спектр поглощения стержнеобразных наночастиц серебра

Экспериментальная часть Обработка и представление результатов лабораторных работ

В отчете необходимо представить:

Схему и уравнение реакции синтеза наночастиц

Записи об изменении цвета раствора во время синтеза

Записи о влиянии (или отсутствия влияния) концентрации восстановителя и /или стабилизатора на размеры и устойчивость образующихся наночастиц

Спектр поглощения раствора наночастиц

Выводы о форме и размере наночастиц в синтезированном растворе

Лабораторная работа № 1 Получение наночастиц Ag цитратным способом

Этот метод позволяет получать относительно большие частицы серебра диаметром 60-80 нм. Максимум поглощения 420 нм.

Реактивы и оборудование

Реактивы: 0.005M раствор нитрата серебра AgNO 3 , цитрат натрия Na 3 C 6 H 5 O 7 ∙6H 2 O (1%-ный раствор), дистиллированная вода.

Оборудование: весы, спектрофотометр, кварцевые кюветы с длиной оптического пути 1 см, колбы 200 мл, стаканы 50 мл, мешалка с подогревом, мерный цилиндр.

Порядок выполнения работы

Приготовить 0,005М (0,085%) раствор AgNO 3 в воде. Для этого растворите 0,0425 г. вещества в 50 мл дистиллированной воды.

Перенесите 25 мл приготовленного раствора в колбу и добавьте 100 мл воды.

Приготовьте 1% раствор цитрата натрия, растворив 0,5 г его в 50 мл воды.

Нагрейте 125 мл полученного раствора нитрата серебра до кипения на плитке с мешалкой.

Как только раствор начнет закипать, введите в него 5 мл 1% раствора цитрата натрия.

Нагревайте раствор до тех пор, пока цвет не станет бледно-желтым.

Оставьте раствор охлаждаться до комнатной температуры при включенной мешалке.

Уменьшившийся за счет кипения объем раствора доведите водой до 125 мл.

Снять спектр поглощения полученного коллоидного раствора в диапазоне 200 – 800 нм. В качестве раствора сравнения возьмите воду.

Снимите спектр поглощения через сутки, неделю. Сравните полученные спектры. Что можно сказать об устойчивости наночастиц? Какие факторы определяют устойчивость наночастиц, полученных по этой методике? Какие ещё известны способы повышения устойчивости металлических наночастиц? Почему водный раствор нитрата серебра хранят в лаборатории в темной посуде?

К 5 мл раствора полученных наночастиц серебра добавить по каплям 5 мл разбавленной НCl. Повторить опыт с уксусной кислотой СН 3 СООН. Наблюдать постепенное растворение наночастиц серебра и образование белого осадка при добавлении соляной кислоты и обесцвечивание раствора в случае добавления уксусной кислоты. Выводы, наблюдения и уравнения реакций запишите в тетрадь.

ПОВЕРХНОСТНЫЙ ПЛАЗМОННЫЙ РЕЗОНАНС НАНОЧАСТИЦ СЕРЕБРА В СТЕКЛЕ СТЕХИОМЕТРИСЕСКОГО СОСТАВА ДИСИЛИКАТА ЛИТИЯ

Институт химии силикатов имени И. В.Гребенщикова РАН,

Макарова, Санкт-Петербург, 199034 Россия

e-mail *****@***ru

Поверхностный плазмонный резонанс наночастиц представляет собой резкое увеличение интенсивности поглощения и рассеяния при определенной длине волны падающего света, попадающей в резонанс с собственной частотой колебаний электронного газа на поверхности наночастицы. Параметрами плазмонного резонанса являются: его величина, положение в спектре, полуширина полосы. Они зависят от материала, формы, размера наночастицы, а также от состава окружающей среды. Выполнено исследование, в котором на одних и тех же образцах фотоструктурированных (фоточувствительных) стекол с добавками примеси серебра 0.03Ag (масс.%) сверх 100 % и диоксида церия 0.05 CeO2 (масс.%) сверх 100 %, введенными как порознь, так и совместно, изучены кристаллизационные и оптические свойства стекла стехиометрического состава дисиликата лития 33.5Li2O · 66.5SiO2 (мол.%):

При воздействии ультрафиолетового излучения и термообработки ионы-восстановители отдают электроны ионам серебра, переводя их в атомарное состояние. Рентгеновское излучение введения сенсибилизатора не требует. При повышенной температуре атомы серебра формируют наночастицы, которые служат центрами кристаллизации основной неметаллической фазы дисиликата лития.

Так как максимальная скорость зарождения кристаллов дисиликата лития наблюдается при температуре 460 °С , для исследований оптических свойств стекол мы избрали именно эту температуру. Образцы выдерживали при температуре 460 °С в течение 3 часов. На рисунке 1 представлены зависимости оптической плотности образцов, D , от длины волны для исходного стекла 1 (без примесей и облучения); с примесями серебра и диоксида церия 2; с примесью серебра 3. Образцы 2 и 3 облучены в течение 10 минут. Режим термообработки 460 °С 3 часа.

Как видно из рисунка 1, зависимость оптической плотности образца 1 не имеет максимумов, она плавно уменьшается. Оптическая плотность образца с церием и серебром имеет два максимума: первый - для длины волны 310 нм, второй лежит при λ = 425 нм, и, наконец, оптическая плотность образца с серебром имеет только один максимум при λ = 425 нм. Отсюда можно сделать вывод, что полоса поглощения на длине волны λ = 310 нм связана с присутствием в стекле ионов церия, а длина волны λ = 425 – соответствует плазмонному резонансу наночастиц серебра.

Выводы по работе

Выполнено комплексное исследование, в котором на одних и тех же образцах фотоструктурированного (фоточувствительного) стекла стехиометрического состава дисиликата лития 33.5Li2O·66.5SiO2 (мол.%) с добавками фоточувствительной примеси серебра (0.03 масс.% сверх 100 %) и диоксида церия (0.05 масс.% сверх 100 %), введенными как порознь, так и совместно, изучены кристаллизационные и оптические свойства. Установлено, что полоса поглощения на длине волны λ =310 нм связана с присутствием в стекле ионов церия, а длина волны λ = 425 – соответствует плазмонному резонансу наночастиц серебра.

Скорость зарождения дисиликата лития на частицах серебра для глубины образца 0.52 мм в 500 раз выше скорости зарождения в гомогенных условиях нуклеации , что позволяет рекомендовать литиевосиликатное стекло данного состава использовать в качестве фотоструктурированного материала для получения фоточувствительных стеклов и фотоситаллов.

1. А. Зарождение кристаллов в литиевосиликатных фоточувствительных стеклах. Изд-во LAP LAMBERT Academic Publishing. ISBN: 978-3-8454-1285-6. 148с. Проектный номер (24811). LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG Dudweiler Landstraße 99, 66123 Saarbrücken Germany. 2011г.

2. А., В., А., А. Влияние наночастиц золота на процессы аморфизации и кристаллизации в фотоструктурируемом литиевосиликатном стекле // Физ. и хим. стекла. 2013. Т.39. №4. С.513-521.