V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

В настоящее время большое внимание ученых уделяется исследованию характеристик квантовых точек. В ходе эксперимента были получены коллоиды золотых квантовых точек.

Исследуемые коллоидные растворы формировались методом лазерной абляции золотой мишени в дистиллированной воде и этиловом спирте. Данный метод заключается в том, что лазерный пучок фокусируется сквозь прозрачную для него жидкость на поверхность металлической мишени. Взаимодействие мощного лазерного излучения с поглощающими средами приводит к абляции последних и распылению их материала в окружающую среду.

При получении коллоидных растворов золота использовался неодимовый лазер с пассивной модуляцией добротности, длиной волны 1060 нм, длительностью импульса 250 пс, частотой повторения 0,5 – 50 Гц и энергией в импульсе до 30 мДж.

Кривая 1-спектр поглощения коллоидного раствора золота в спирте.

Кривая 2- спектр поглощения коллоидного раствора золота в воде.

Рисунок 1- Сравнение спектров поглощения наночастиц золота в воде и этаноле полученных в течение 2ч.

На рисунке 1 представлен спектр поглощения коллоидного раствора золота в спирте относительно воды. Наблюдаемый максимум в области 528 нм связан с наличием в растворе наночастиц металла. Пик в спектре поглощения появляется из-за поглощения света частицами золота, которое определяется оптическими свойствами объемного металла, размером частиц и показателем преломления спирта n. Полоса поглощения в видимой области связана с плазменным резонансом [1,2], который возникает в том случае, когда размеры частиц становятся меньше длины свободного пробега свободных электронов в массивном металле (несколько десятков нанометров). Рассеяние свободных электронов происходит в этом случае преимущественно на поверхности частицы, поэтому плазменная частота свободных колебаний электронов смещается из УФ в видимую область спектра. Таким образом, при уменьшении размеров частиц пик в поглощении, соответствующий плазменному резонансу, смещается в длинноволновую сторону.

Описание и интерпретация спектральных свойств наночастиц с поверхностным плазмонным резонансом проводились на основе теории Максвелла-Гарнета, рассматривающей среду с эффективной диэлектрической проницаемостью [2, 3]. При этом рассмотрение проводится в рамках рассеяния Ми с использованием классической модели Друде для металлических шаров, помещенных в диэлектрическую среду. Эта модель описывает диэлектрическую проницаемость коллоида через диэлектрическую проницаемость объемного металла и окружающей среды, а размер наночастиц влияет на частоту электронных столкновений в металле. В рамках данной модели для одинаковых сферических частиц с размерами, намного меньшими длины волны излучения, помещённых в среду с коэффициентом преломления n, спектр поглощения определяется выражением:

, (1)

. (2)

Плазменная частота металла и показатель преломления окружающей среды определяют положение максимума поглощения коллоида, его амплитуда зависит от объемной доли металла, а полуширина определяется частотой электронных столкновений, которая зависит от размера наночастиц. Аналогичная модель используется и для интерпретации нелинейно оптических свойств металлических коллоидов, которые объясняются локальными полями. Согласно теории Максвелла-Гарнета, локальное поле увеличивает в раз электрическое поле около частицы. Фактор определяется как:

. (3)

Теоретические расчеты спектра поглощения коллоидного раствора наночастиц золота на основе вышеприведенной теории показали хорошее соответствие с экспериментальными данными. Подгоночными параметрами служили радиус наночастиц и показатель преломления окружающей среды. При расчете использовались спектральные зависимости действительной и мнимой части диэлектрической проницаемости объемного золота, приведенные в [4]. По спектрам поглощения получены значения радиуса наночастиц ~ 2,5 нм.

Таким образом, в работе были исследованы экспериментальные и теоретические спектры поглощения наночастиц золота. Был смоделирован теоретический подход на основе теории Ми для металлических наночастиц, полученных методом лазерной абляции, для определения зависимости диэлектрической проницаемости от частоты, для разного радиуса наночастиц. В результате проведенных исследований и численных расчетов показано, что в рассмотренном частотном диапазоне и при используемых параметрах диэлектрическая проницаемость коллоидного раствора от радиуса наночастиц практически не зависит. Проведенная работа можно расширить потенциал практического применения квантовых точек.

Литература

1. Scaffardi L.B., Pellegri N., O de Sanctis // Nanotechnology. 2005. Vol. 16. P. 158.

2. Mandal S. K., Roy R. K. // J. Appl. Phys. D. 2002. Vol. 35. P. 2198.

3. Arnold G.W. J. // Appl. Phys. 1975. Vol. 46. P. 4446.

4. Johnson P.B., Cristy R.W. // Phys.Rev.B. 1972. Vol. 6. P. 4370.

Код для цитирования: Скопировать