Оптические свойства и строения оксидных стёкол окрашенных наноразмерными частицами

Методами спектроскопии изучают уровни энергии атомов, молекул и образованных из них макроскопических систем, а также квантовые переходы между уровнями энергии,

Оптические свойства и строения оксидных стёкол окрашенных наноразмерными частицами

Дипломная работа

Физика

Другие дипломы по предмету

Физика

Сдать работу со 100% гаранией
кристаллов, причем с увеличением их радиуса он смещается в красную область спектра.

 

2. Оптические свойства стёкол

 

2.1 Оптические свойства наночастиц металлов

 

Оптические свойства наночастиц представляют особый интерес для фундаментальных и прикладных исследований. У островковых металлических пленок из золота, серебра, щелочных металлов оптические свойства определяются главным образом плазмонами, т.е. коллективными собственными колебаниями электронов металла, относительно ионного остова [12].

При возбуждении электромагнитным излучением металлических наночастиц (МНЧ) их электроны проводимости смещаются относительно положения заряженного остова. Это смещение носит коллективный характер, при котором движение электронов согласовано по фазе. В результате смещения электронов возникает сила, которая стремится 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 кластере. При совпадении собственной частоты колебаний электронов и частоты внешнего поля наблюдается резонансный эффект, который принято называть поверхностным плазмонным резонансом [13]. Возбуждение плазмонов может вызываться оптическим излучением с энергией фотонов близких к энергии плазмонов и проявляется в наличии резонансов в спектрах поглощения и рассеяния излучения. Положением этих резонансов можно манипулировать в широком диапазоне частот путем выбора различных металлов, созданием частиц определенного размера и формы на различных диэлектрических подложках или в матрицах, что открывает возможности для создания материалов с особыми, заранее определенными линейными или нелинейными оптическими свойствами. Возбуждение плазмонов сопровождается многократным увеличением электрического поля в частицах и вне их в области порядка их размера. В соответствии с классической оптикой спектр поглощения коллоидного раствора не зависит от размера частиц, когда размер кластера намного, меньше длины волны падающего света: D/λ << 1. Для наносистем: D < 20 нм и λ > 300 нм, поглощение среды не зависит от размера наночастиц, а экспериментально наблюдаемое поглощение в системах металлических наночастиц приписывают проявлению "размерного эффекта, связанного с резонансным поглощением плазмонов [14].

Для наночастиц металла, равномерно распределенных в стеклянной матрице, эффективная диэлектрическая постоянная может быть рассчитана в предположении, что размер частиц намного меньше среднего расстояния между частицами, и электромагнитными взаимодействиями между дипольными моментами кластеров можно пренебречь. Считается, что такое пренебрежение правомерно, когда фактор заполнения f (отношение объема металла к объему коллоидного раствора) не превышает . Тогда поглощение системы может быть рассчитано как сумма поглощений отдельных кластеров. Согласно определению, коэффициент поглощения коллоидных растворов определяется поглощением на единицу объема коллоидного раствора, то есть коэффициент поглощения пропорционален фактору заполнения f, а частотная зависимость поглощения системы является спектром единичного "усредненного кластера. В итоге, плазменная частота металла и показатель преломления окружающей среды определяют положение максимума поглощения наночастиц, его амплитуда зависит от объемной доли металла, а полуширина определяется частотой электронных столкновений, которая зависит от размера наночастиц. Следует отметить значительное влияние химической природы металла на интенсивность и полуширину максимума резонансного поглощения. Так, для кластеров серебра наблюдается узкая резонансная полоса, которая хорошо выражена в спектрах металлсодержащих наносистем даже при комнатной температуре, тогда как в спектре меди присутствует лишь размытый пик, который проявляется только благодаря сильному межзонному поглощению объемной меди выше 2 эВ. Зависимость положения полосы поглощения поверхностного плазмона от размера полностью определяется свойствами поверхностных атомов металла [15].

 

2.2 Оптические свойства полупроводниковых наночастиц

 

Другим широко известным типом материалов, оптические свойства которых определяются размерным эффектом, являются стекла, допированные наночастицами полупроводников. Такие стекла нашли широкое применение в современной технологии в качестве оптических фильтров. Тем не менее, с фундаментальной точки зрения, понимание природы зависимости свойств полупроводниковых наночастиц от размера до сих пор не полно [16].

Описание процессов поглощения электромагнитного излучения в полупроводниковых наносистемах затруднено из-за наличия эффектов размерного квантования. В случае, если по одной или нескольким координатам размеры частицы становятся порядка и меньше длины волны де Бройля носителей заряда, полупроводниковая структура становится резонатором, а спектр носителей заряда - дискретным. Для полупроводниковых наноструктур квантоворазмерный эффект выражен гораздо сильнее, чем у металлов и диэлектриков. Кроме этого, для полупроводников большое значение имеет также и форма наночастиц. У полупроводников уровень Ферми лежит между энергетическими зонами, и именно края зон определяют оптические и электрические свойства. Оптические переходы между зонами сильно зависят от размеров частиц полупроводника вплоть до 20-30 нм, после чего зоны имеют уже полностью непрерывный энергетический спектр. Кулоновское взаимодействие между парой "электрон-дырка", возникшей в результате оптического перехода, довольно сильно влияет на оптический спектр наночастиц.

3. Методы исследования наноструктур

 

3.1 Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ)

 

Обычный просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ) во многом подобен оптическому (световому) микроскопу, но только для освещения образцов в нем используется не свет, а пучок электронов [17]. В нем имеются источник электронов (аналог источника света), ряд конденсорных линз, объективная линза и проекционная система, которая соответствует окуляру, но проецирует действительное изображение на люминесцентный экран или фотографическую пластинку. Электронное изображение формируется электрическими и магнитными полями примерно так же, как световое - оптическими линзами. Пучок электронов, источником которых служит накалённый катод, формируется в электронной пушке 1 ч 3 и затем дважды фокусируется первым и вторым конденсорами, создающими на объекте электронное "пятно" малых размеров (при регулировке диаметр пятна может меняться от 1 до 20 мкм). Обычно первая из конденсорных линз создает неувеличенное изображение источника электронов, а вторая контролирует размер освещаемого участка на образце. Образец помещается в магнитном поле объективной линзы с большой оптической силой - самой важной линзы ПЭМ, которой определяется предельное возможное разрешение прибора. После прохождения сквозь объект часть электронов рассеивается и задерживается апертурной диафрагмой. Нерассеянные электроны проходят через отверстие диафрагмы и фокусируются объективом в предметной плоскости проекционной линзы (иногда используют несколько проекционных линз). Последняя проекционная линза формирует изображение на люминесцентном экране, который светится под воздействием электронов.

Окончательное увеличенное электронное изображение преобразуется в видимое посредством люминесцентного экрана, который светится под действием электронной бомбардировки. Это изображение, обычно слабоконтрастное, как правило, рассматривают через бинокулярный световой микроскоп. В настоящее время для повышения яркости слабого изображения все чаще применяется люминофорные экраны с электронно-оптическим преобразователем. В этом случае окончательное изображение может быть выведено на обычный телевизионный экран или монитор компьютера. Обработка изображения с помощью компьютера позволяет повысить контрастность и четкость изображения [18].

Образцы для ПЭМ должны быть тщательно подготовлены. Поскольку длина свободного пробега электронов в конденсированном веществе при рабочем ускоряющем напряжении в сотни киловольт составляет доли микрометра (максимум - единицы микрометров), для исследования этим методом доступны только очень тонкие фольги или срезы. Первые получают полировкой, электрохимическим или ионным травлением, вторые - срезанием тонких слоев на специальной машине - микротоме.

Другая возможность - приготовление реплик с поверхности исследуемого образца. Они могут изготавливаться методом осаждения, напыления и др. Лучшие результаты ПЭМ дает для пленок, имеющих толщину, сравнимую с длиной свободного пробега электронов.

Обычно используют два основных режима работы ПЭМ, которые позволяют получить: а) изображение образца или б) дифракционную картину рефлексов. Изображение формируется вследствие того, что разные атомы рассеивают и поглощают быстрые электроны с различной эффективностью.

Как известно, в дифракционной картине от периодических структур имеются максимумы (рефлексы) различного порядка: нулевого, первого, второго и т.д. в зависимости от угла, отсчитанного от нерассеявшегося пучка, и периодичности структуры. Электронные микрофотографии получают в условиях, когда апертурная диафрагма вырезает из общего потока только центральный пучок. Они могут дать сведения о размерах и форме отдельных зерен, фаз и других структурных единиц.

Информация другого рода содержится в электронограмме - дифракционной картине, получаемой при пропускании максимумов более высокого порядка (при большей апертуре диафрагмы). После соответствующей обработки по ней можно судить о типе кристаллической решетки, межплоскостных расстояниях, ориентации кристаллитов и др.

 

Похожие работы

<< < 1 2 3 4 5 6 7 > >>