Металлические наночастицы

Одним из старейших примеров использования нанотехнологии является цветное витражное стекло средневековых соборов, представляющее собой прозрачное тело с включениями в виде наноразмерных металлических частиц. Стекла, содержащие небольшое количество диспергированных нанокластеров, демонстрируют разнообразие необычных оптических свойств с широкими возможностями применения. Длина волны максимального оптического поглощения, в существенной степени определяющая цвет стекла, зависит от размера и типа металлических частиц. На рис. 1 показан пример влияния размера наночастиц золота на оптический спектр поглощения SiO₂-стекла в видимом диапазоне. Эти данные подтверждают смещение пика оптического поглощения к более коротким длинам волн при уменьшении размеров наночастиц с 80 до 20 нм. Такой спектр вызывается плазменным поглощением в металлических наночастицах. При очень высоких частотах электроны проводимости в металле ведут себя как плазма, то есть электрически нейтральный ионизированный газ, в котором отрицательными зарядами являются подвижные электроны, а по­ложительный заряд остается на непо­движных атомах решетки. Если кластеры имеют размеры меньше длины волны падающего света и хорошо рассеяны, так что могут рассматриваться как невзаи­модействующие друг с другом, то электромагнитная волна вызывает колебания электронной плазмы, приводящие к ее поглощению. Для вычисления зависимос­ти коэффициента поглощения от длины волны можно использовать теорию, раз­витую Ми (Mie). Коэффициент поглощения а маленькой сферической части­цы металла, находящейся в непоглощающей среде, задается как

(2)

где N_s — концентрация сфер объемом V, ε ₁ и ε₂ — действительная и мнимая части диэлектрической проницаемости сфер, n₀ — показатель преломления непоглощающей среды и λ — длина волны падающего света. Когда размеры частиц уменьшаются до 10 нм, начинают играть важную роль эффекты квантовой локализации, из­меняющие оптические характеристики материала.

Другим важным для технологии свойством композитных металлизированных стекол является оптическая нелинейность. Такие стекла имеют существенную восприимчивость третьего порядка c⁽³⁾, что приводит к зависимо­сти показателя преломления n от интенсивности падающего света I (см формулу 1). Величины c⁽³⁾ определяются, как типом металла и диэлектрика, так и структурными параметрами наночастиц, т.е. их размерами, распределением по размерам, формой и фактором заполнения диэлектрика металлом.

Впервые оптические нелинейности металлических коллоидных частиц Au и Ag в водных растворах наблюдались Рикардом с коллегами в 1985 году, и регистрируемые значения c⁽³⁾ составляли 1.5x10^-8 ед. СГСЭ для Au частиц и 2.4x10^-9 ед. СГСЭ для Ag частиц. Эти величины примерно на два порядка выше, чем у объемных металлических материалов. В случае меди c⁽³⁾ заметно превышает значения, соответствующие Au и Ag, что обуславливает практический интерес к исследованию Cu наночастиц.

Несмотря на то, что для композитных материалов с металлическими наночастицами теоретические оценки предсказывают величины c⁽³⁾ порядка 10^‑6 ед. СГСЭ, реально на практике из-за низкой концентрации частиц величина c⁽³⁾ составляет не более 10^-8 ед. СГСЭ. В принципе, повысить концентрацию возможно сверх равновесного значения методом ионной имплантации, которая будет рассмотрена нами ниже.

Плазмонные материалы можно использовать для увеличения яркости светодиодов до уровня яркости ламп накаливания. Еще в 1980х гг. исследователи обнаружили, что плазмонное усиление электрического поля на границе металл – диэлектрик повышает интенсивность излучения люминесцентных красок, расположенных вблизи поверхности металла. Позже стало очевидно, что такой тип усиления свечения под действием поля может значительно увеличить интенсивность излучения КТ, повышая таким образом эффективность и яркость твердотельных светодиодов.

При облучении светом с частотой плазмонного резонанса за счет эффекта ближнепольной интерференции полей, переизлученных соседними частицами, можно достичь эффекта локального усиления светового поля падающей волны на 1-2 порядка, поэтому ее можно использовать для создания полупроводникового оптического ключа на резонаторе Фабри-Перо (см. выше). Для увеличения быстродействия можно использовать вместо металлических наночастиц в полупроводниковой оболочке полупроводниковую наночастицу в металлической (серебряной) оболочке. В данном случае используются нелинейные свойства полупроводникового ядра и резонансные свойства металла оболочки. [4]

Дата добавления: 2015-11-16