Спектральные зависимости оптических свойств наночастиц вольфрама в видимой части спектра

Спектральные зависимости оптических свойств наночастиц вольфрама в видимой части спектра

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.

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 (б) пленок металла значительно легче: его определяет модуль мнимой части комплексного показателя поглощения (б=4р?Im (mi)/л, где л — 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 ® рассчитывались в рамках теории Ми (как в работах [19−26]). Рассчитываемая зависимость Qabs® 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 л 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]

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.

• 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.