СПЕКТРАЛЬНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ КОЭФФИЦИЕНТА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПОГЛОЩЕНИЯ НАНОЧАСТИЦ НИКЕЛЯ В PETN

Аннотация: Из данных двух различных источников получены спектральные зависимости комплексного показателя преломления никеля в диапазоне длин волн от 400 нм до 1200 нм, в том числе на длинах волн основной и второй гармоник неодимового лазера. Рассчитаны спектральные зависимости максимальных значений коэффициентов эффективности поглощения и радиусов им соответствующих. Показано, что значения оптимальных радиусов наночастиц практически совпадают при использовании разных источников комплексного показателя преломления. Однако максимальные значения коэффициентов эффективности поглощения существенно меняются при использовании различных источников комплексного показателя преломления.

Ключевые слова: наночастицы никеля, спектральные закономерности, коэффициент эффективности поглощения.

Введение:

Наночастицы никеля широко используются в медицине и биологии, входят в состав магнитных жидкостей, катализаторов и солнечных батарей, широко используются в переключающих устройствах нелинейной оптики, для создания высокоскоростных оптических устройств, оптических детонаторов для снижения рисков несанкционированных взрывов с опасностью последующих техногенных катастроф . В настоящее время разработаны оптические детонаторы на основе инициирующего взрывчатых веществ (ВВ) азида серебра , разрабатываются составы капсюлей оптических детонаторов на основе селективно чувствительных к лазерному воздействию прессованных таблеток на основе вторичного ВВ PETN с наночастицами алюминия , кобальта , никеля , олова , ванадия , благородных металлов  и меди . Форм размерные характеристики оптимальных составов капсюлей определяются оптическими свойствами наночастиц и композитов на их основе [4-13]. Как основной параметр – коэффициент эффективности поглощения (Qabs), так и рассеивающие свойства наночастиц , от которых зависит усиление освещенности в композите, определяется комплексным показателем преломления (mi). Расчеты оптических свойств наночастиц никеля в различных матрицах выполнены с использованием значений mi, определенных в работе .

Целью настоящей работы является оценка mi по относительно новым данным , расчет и сравнение спектральных зависимостей максимальных значений коэффициентов эффективности поглощения и радиусов им соответствующих, полученных с использования различных источников комплексного показателя преломления металла.

Возможности экспериментального определения mi наночастиц металлов из обработки спектров поглощения и отражения при различных массовых долях наночастиц металлов уже возможно . Однако для этого необходимы очень большие ресурсы, связанные с синтезом наночастиц определенных радиусов , диагностированием их взаимодополняющими методами , определением спектральных зависимостей коэффициентов отражения и пропускания образцов с заданными массовыми концентрациями и размерами наночастиц, обработкой полученных результатов . В результате в работе  описана методика и результаты оценки с точностью около 10 % оптических характеристик наночастиц алюминия радиуса 50 нм в PETN (вторичное ВВ) на длине волны (λ) 643 нм. Необходимость выполнения нескольких последовательных исследований процессов, характеризующихся набором недостаточно хорошо известных параметров [18-22], значительно снижает точность оцененных параметров. Воспользуемся, как в работах , значениями mi для актуального спектрального диапазона . Для никеля в  приведены значения mi в очень широком диапазоне от рентгеновского до дальнего ИК. Нам понадобятся энергии фотонов: от 3.5 эВ до 2.0 эВ с шагом 0.1 эВ и далее до 1.00 эВ с шагом 0.05 эВ. Действительная часть комплексного показателя преломления образует массив .

В работе  предложена современная методика оценки mi на актуальных длинах волн по совокупности всех значений этой величины для всего спектрального диапазона. Метод является интерполяционным и имеет хорошую точность , мы им воспользуемся в настоящей работе. Однако значения mi выше приведены не для длин волн, а для энергий фотона, поэтому энергию фотонов необходимо перевести в длину волны. Для этого в программу добавляем конвертор: λ(i)=1239.841/E(i), где E(i) – элемент массива энергии (E), а λ – соответствующий ему элемент рассчитанного массива длины волны. Проведем расчет mi по программе . Результат полученных значений mi представлен на рис. 1 и в таблице.

Отличие с данными работы  достаточно существенное. Так для второй гармоники неодимового лазера (длина волны 532 нм) значение mi = 1.8763 - 3.4972i, в котором и действительная и модуль мнимой части (1.7376 - 3.15i) значительно больше . На основной гармонике (1064 нм) полученное значение mi = 2.8906-5.1974i, в котором мнимая часть (определяющая эффективность поглощения пленок металла) по модулю меньше, а действительная – больше (2.6024 - 5.8345i).

Значения действительных частей комплексного показателя преломления в короткой области спектра переоценены в работе  по данным : в более позднем источнике  они несколько меньше. При длине волны около 650 нм действительные части mi по данным обоих источников совпадают, и далее во всем исследуемом диапазоне действительная часть mi меньше в работе , чем в настоящей (по данным ). Модуль мнимой части показателя преломления во всем спектральном диапазоне несколько ниже, чем в работе . Использование графической информации усиливает наглядность рассчитанных величин, но для дальнейшего использования табличный (цифровой) формат значений более удобен. Рассчитанные значения mi представлены во втором столбце таблицы 1.

С использованием определенных значений mi на каждой длине волны рассчитаны зависимости коэффициентов эффективности поглощения от радиуса наночастиц никеля в PETN (показатель преломления 1.54). Для каждой длины волны Qabs имеет максимум, положение которого Rmax и величина Qmax определяется длиной волны света (как и для наночастиц других металлов из работ [5-8, 23-31]). При радиусах наночастицы меньше Rmax Qabs спадает до нуля. Методика расчета оптических свойств наночастиц металлов в прозрачной матрице разработана в работах [5-8, 23-31] и успешно апробирована на наночастицах алюминия, кобальта, меди, и др. металлов в различных матрицах. Использована программа для расчета из работы . Значения Qmax приведены на рис. 2 и в третьем столбце таблицы 1. На рис. 2 приведены также значения Qabs, рассчитанные в работе [7 по данным ]. Эти данные обозначены на рис. 2 крестиками. Совокупность различий комплексных показателей преломления из работ  приводит к различным (до 20%) значениям максимального коэффициента эффективности поглощения. Обращает на себя внимание первая точка рис. 2, полученная для длины волны 400 нм. Несмотря на значительные различия mi (1.6100-2.3605i и 1.7123-2.5905i) Qmax практически совпадают (2.3). Наибольшие различия проявляются далее при увеличении длины волны. Значение mi = 1.6265-2.6547i  приводит к формированию в прозрачной матрице с показателем преломления 1.54 (PETN) слабовыраженного плазмонного пика поглощения.

В отличие от этого данные работы  приводят сразу к уменьшению Qmax при увеличении длины волны более 400 нм. В дальнейшем как абсолютные, так и относительные различия между Qmax только увеличиваются, достигая 20 % или 0.2 на длине волны 1200 нм (1.1967 и 0.9901).

Отмеченные особенности хорошо проявляются в спектрах пропускания образцов с такими наночастицами. Точности работ [21-28] достаточно для оценки mi наночастиц никеля современными методами.

Цифровые значения Rmax по данным  представлены в таблице 1. На рис. 3 нет данных по оптимальным радиусам, рассчитанным по данным Золотарева . Несмотря на значительные различия комплексных показателей преломления и полученных значениях коэффициентов эффективности поглощения, значения Rmax по различным источникам практически совпали. Так для длины волны 400 нм они составили 29.7 нм и 30.0 нм. Отличие в 1 % практически неразличимо. Массив значений Rmax в нм по данным комплексного показателя преломления  для длин волн из таблицы 1: .