СПЕКТРАЛЬНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ОКСИДА МЕДИ (I) В ВАКУУМЕ



В работе рассчитаны спектральные закономерности комплексного показателя преломления, показателя поглощения, максимального коэффициента эффективности поглощения и радиуса ему соответствующего наночастиц оксида меди (I) в матрице с показателем преломления 1 (вакуум).

Ключевые слова: математическое моделирование, плазмонное поглощение, наночастицы, оксид меди (I), спектральные закономерности.

Наночастицы материалов обладают уникальными физическими и химическими свойствами. Перевод металлов в наноразмерное состояние (20 -200 нм) приводит не только к небольшому изменению теплоемкости, температуры плавления, кипения, теплопроводности, но и к кардинальному изменению оптических свойств и химической активности . Так медь в массивном состоянии весьма инертно и встречается в природе даже в виде самородков. Однако в виде наночастиц легко окисляется на воздухе, в том числе – в режиме горения без начального подогрева . Практически для всех металлов эта тенденция сохраняется. Поэтому применяются специальные методы для минимизации воздействия воздуха на наночастицы металлов. Данное обстоятельство весьма ограничивает применение некоторых наночастиц в исполнительных устройствах различного назначения . Широкое использование наночастиц алюминия в некоторой степени связано именно с образованием прочной пленки оксида, предотвращающей дальнейшее окисление . Для оксидов металлов данная трудность частично преодолевается (а для насыщенных оксидов – полностью). Поэтому рационально определить возможность замены наночастиц металлов на оксиды металлов, например в капсюлях оптических детонаторов. Актуальность проблемы заключается в необходимости революционного снижения опасности техногенных катастроф при проведении взрывных работ в строительстве и горной промышленности при проведении проходческих работ . Перспективность использования наночастиц металлов в композитах с PETN (бризантное взрывчатое вещество) доказана экспериментально: наночастицы алюминия, никеля, олова, ванадия, хрома, меди, серебра и золота снижают порог взрывчатого разложения для первой и второй гармоник неодимового лазера более чем в 100 раз [6-13]. Для использования в капсюлях оптических детонаторов наночастица должна обладать рядом свойств: достаточно большими коэффициентами эффективности поглощения и рассеяния, высокой температурой плавления и кипения, низкой теплоемкостью. Рассеяние связано с предпочтительностью повышения освещенности внутри прессованной таблетки за счет многократное рассеяние света наночастицами металла . Однако сформулированные выше требования только частично реализуются для отдельных металлов, а по некоторым пунктам (высокая температура плавления и кипения) предпочтительны оксиды металлов. Для направленного поиска материала для сенсибилизации PETN в капсюлях оптических детонаторов и других устройств нелинейной оптики необходимо рассчитать оптические характеристики наночастиц, в том числе - спектральные зависимости коэффициентов эффективности поглощения наночастиц и показателей поглощения пленок оксида меди (I).

Цель работы: Оценка спектральных зависимостей комплексного показателя преломления, показателя поглощения, максимального коэффициента эффективности поглощения и радиуса ему соответствующего наночастиц оксида меди (I) в вакууме.

Данная задача, очевидно, может быть решена как экспериментальными, так и теоретическими методами. Общепринятым способом измерения комплексного показателя преломления (mi) металла является эллипсометрия: различные варианты исследования состояния поляризации отраженных и преломленных образцом световых лучей. Взаимодействие монохроматического излучения с образцом приводит к эллиптической поляризации изначально плоско поляризованного света. Недостатком метода является повышенная требовательность к состоянию поверхности, атмосферы, целому списку плохо контролируемых сопутствующих параметров процесса, и как результат трудоемкость получения достоверного результата, который аномально чувствителен к шероховатости, структуре и дефектности поверхности.

В последние годы разрабатывается методика экспериментального определения комплексного показателя преломления наночастиц, поглощающих и одновременно рассеивающих свет, в прозрачных матрицах [15-17]. Она основана на обработке зависимостей коэффициентов отражения и пропускания от толщины таблетки и массовой концентрации наночастиц . Методика апробирована для наночастиц алюминия на длине волны 643 нм . Задача является очень сложной даже для одного радиуса наночастицы и длины волны [14-17]. В перспективе возможно адаптировать методику на определение спектра соответствующих величин, однако пока она не опробована. Для достижения поставленной цели экспериментальным методом потребуется недопустимо много времени напряженных исследований, чистота проведения которых существенно зависит от качества образцов, моно дисперсности распределения по радиусам и незначительных отклонений формы наночастиц от сферической, малостью агломерации наночастиц, отсутствием рассеяния и поглощения матрицей [6-17]. Существенные экспериментальные ресурсы лучше применять после предварительных теоретических исследований, когда предварительно выделена область необходимых экспериментальных исследований поиска актуальных свойств объекта, необходимых для создания исполнительных устройств . Такая программа исследований была реализована в нашей лаборатории для исследования процессов низкопорогового лазерного инициирования кристаллов инициирующего взрывчатого вещества (ВВ) азида серебра [18-20], в результате которого на его основе создан оптический детонатор , значительно превосходящий классический электровзрывной способ инициирования детонатора . В последнее время начат цикл исследований подобных процессов в композитах на основе вторичных ВВ (PETN и гексоген) с включениями наночастиц ряда металлов: алюминия, кобальта, меди, никеля, ванадия, олова, золота [1-17, 23, 24]. Эта работа посвящена возможности использования в качестве сенсибилизатора наночастицы оксида меди (I).

Теоретическое решение задачи, поставленной в работе, возможно методом интерполяции комплексного показателя преломления (mi) на актуальные длины волн в выбранном спектральном диапазоне по имеющимся экспериментальным данным.

В работе  приведены экспериментальные значения mi оксида меди (I) в актуальном спектральных диапазонах. В работах  приведена методика оценки mi по совокупности значений комплексных показателей преломления для широкого спектрального диапазона, в котором известен комплексный показатель преломления. Методика является интерполяционной, имеет повышенную точность . Нам необходимы экспериментальные значения комплексного показателя преломления для набора λ [400:50:1000 1100 1200] мкм. Действительные части mi: , мнимые  .

Для расчета спектральных зависимостей mi на интересующие нас длины волн (включая основную и вторую гармоники неодимового лазера, на которых обнаружена максимальная чувствительность композитов PETN – наночастицы различных металлов) используем разработанную ранее методику и пакет прикладных программ . Моделирование осуществляем в математическом пакете MatLab (лицензия № 824977). Результат представлен на рис. 1. Сплошная кривая показывает спектральную зависимость действительной, а пунктир – мнимой части mi оксида меди (I). Обращает внимание близость рассчитанной зависимости для оксида меди и меди. Так для меди в работе  мнимая часть mi также уменьшается от 0.87 для длины волны 450 нм до 0.157 при 750 нм, проходя через минимум 0.142, наблюдаемый для длины волны 650 нм. Для оксида меди значения мнимой части mi также существенно уменьшается практически с 1 для длины волны 400 нм, 0.6 для 450 нм, 0.1 для 650 нм и далее до 0.3 для 1200 нм. Действительная часть при этом пройдя через максимум 3.12 далее немного уменьшается до 2.6, оставаясь в исследуемом диапазоне практически одинаковой. Для меди, серебра и золота близкие закономерности изменения комплексного показателя преломления с исследуемым материалом, особенно в области второй гармоники неодимового лазера, поэтому можно ожидать плазмонного характера поглощения в этой спектральной области . В тоже время значительное отличие спектральных зависимостей mi оксида меди от металлов подгруппы железа (кобальта, никеля), ванадия, алюминия, позволяет предположить существенную разницу в оптических свойствах этих материалов [1-4, 6-17].  Перед тем, как перейти к расчету поглощающих свойств наночастиц оксида меди (I) приведем полученные цифровые данные действительных и мнимых частей mi. В массив длин волн добавлены длины волн основной и второй гармоники неодимового лазера, промежуточные длины волн и интервал от 750 нм до 825 нм с шагом 5 нм: [400:25:525 532 550:25:775 780:5:825 850:25:1050 1064 1075:25:1200] мкм. Массив действительных частей mi: . Массив мнимых частей mi: .

Так как мнимая часть комплексного показателя преломления наночастиц оксида меди (I) не равна нулю, эти наночастицы являются поглощающими и для них можно определить зависимости эффективного показателя поглощения (Q) (отношение сечений поглощения к геометрическому [26-29]), от радиуса наночастицы, длины волны (λ) и показателя преломления матрицы. Методика расчета Q монохроматического света сферическими наночастицами радиуса R в рамках теории Ми сформулирована в  и апробирована на расчете оптических свойств наночастиц ряда металлов [23-29]. Вначале проведем расчет оптических характеристик наночастиц палладия в вакууме (показатель преломления равен 1). Зависимости Q(R) в исследуемом спектральном диапазоне имеют выраженный максимум Qmax (как и для исследованных металлах), а радиус ему соответствующий обозначим Rmax. Массив длин волн, для которых мы проводим расчеты: оставим прежним.

Рассчитанная зависимость Qmax(λ) приведена на рис. 2 Как и ожидалось, зависимость Qmax(λ) подобна соответствующей зависимости ряда металлов (медь, серебро и золото) в которых в видимой области наблюдается плазмонное резонансное поглощение. Цифровой массив Qmax: . Обращает внимание большое значение Qmax 1.9674 на длине волны второй гармоники неодимового лазера (длина волны 532 нм). На длине волны 525 нм максимальное значение коэффициента эффективности поглощения незначительно больше (1.9770). Конечно, наночастицы серебра имеют максимальное значение Qmax на уровне 16, но на второй гармоники – всего 0.7. Для золота и меди параметры поглощения плазмонного резонанса немного выше (5.1 и 2.8), но возможность сохранности свойств наночастиц этих металлов радиуса 20 нм и 35 нм вызывает сомнение. Qmax для этого оксида значительно выше, чем для алюминия (всего 0.7 на второй гармонике неодимового лазера), железа (менее 1.8), практически совпадает с никелем, кобальтом, ванадием. Поэтому, наночастицы оксида меди (I) можно считать перспективным материалом для создания капсюля оптического детонатора. При увеличении длины волны в два раза на основной гармонике неодимового лазера Qmax все еще больше единицы (1.0426), следовательно, сечение поглощение больше геометрического. Это значительно отличает исследуемый материал от металлов алюминия, меди, серебра и золота, где этот параметр около 0.1.