Исследование силикатных стекол с наночастицами PbS и PbSe методом малоуглового рассеяния нейтронов

ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ

ИССЛЕДОВАНИЕ СИЛИКАТНЫХ СТЕКОЛ С НАНОЧАСТИЦАМИ РЬ8 И РЬ8е МЕТОДОМ МАЛОУГЛОВОГО РАССЕЯНИЯ НЕЙТРОНОВ Гурин В.С.

Гурин Валерий Степанович - кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник, НИИ физико-химических проблем Белорусский государственный университет, г. Минск, Республика Беларусь

Аннотация: в статье рассматриваются результаты исследования силикатных стекол, содержащих наночастицы халькогенидов свинца, методами малоуглового рассеяния нейтронов и просвечивающей электронной микроскопии, которые позволяют получить информацию о размерах формирующихся наночастиц и особенностей их локализации в матрице стекла.

Ключевые слова: силикатные стекла, наночастицы, PbS, PbSe, малоугловое рассеяние нейтронов.

Стекла с квантоворазмерными частицами полупроводников относятся к новому классу оптических материалов с перспективными свойствами для разработки нелинейно-оптических элементов, пассивных лазерных затворов, селективных фильтров и др. [1, 2]. Для халькогенидов свинца характерно выраженное проявление квантоворазмерных эффектов для частиц в десятки нанометров и менее, которые успешно стабилизируются в матрице стекла, спектры их экситонного поглощения находятся в ИК-области. В то же время, наночастицы, синтезированные коллоидно -химическими методами и стабилизированные лигандными группировками, попадают в интервал меньших размеров с характерным поглощением в видимой области спектра. Наночастицы халькогенидов свинца в стеклах стабильны как к воздействию окружающей среды, так и по отношению к интенсивному оптическому излучению, что обуславливает возможности применения таких материалов в качестве нелинейно-оптических элементов, контролирующих излучение ИК-лазеров (телекоммуникация, медицина, оптоэлектроника). Однако, детальные структурные исследования наночастц в стеклянной матрице затруднены тем фактом, что концентрация их обычно низка, и извлечение частиц из стекла невозможно без существенного изменения их свойств. В настоящем сообщении рассматриваются результаты исследований таких стекол методами малоуглового рассеяния нейтронов (МУРН) и просвечивающей электронной микроскопии (ЭМ), которые позволяют установить особенности структурной организации стабилизированных в стеклянной матрице нанофаз. Они важны для понимания оптики материалов подобного рода и прогнозирования их функциональных оптических характеристик.

Рис. 1. Данные измерений МУРН - зависимости интенсивности рассеяния от величины переданного импульса в единицах параметра рассеяния Q. Обозначение образцов - T/t - температура и длительность термообработки

Результаты измерений МУРН представлены на рисунке 1 для серии стекол с наночастицами PbS и PbSe, подвергнутых различной термообработке, определяющей формирование частиц разного размера [3]. Для получения информации о размерах частиц использовалось приближение Гинье [4], справедливое для модели изолированных сферических частиц в матрице при QR<<1 (Д - радиус частиц):

I = (4n2N2/3) exp(-Q2Rg2/3),

где N - концентрация частиц, а Rg - радиус гирации, который соотносится с радиусом частиц в такой модели как R=(5/3)1/2Rg.

Рис. 2. Результаты аппроксимации данных МУРН для стекол с наночастицами РЬБ в

приближении Гинье

Результаты расчета размеров частиц представлены в таблице 1. Сравнение полученных данных для ряда исследуемых образцов показывает, что для стекол с наночастицами PbS с увеличением длительности термообработки имеет место рост размеров частиц. Для стекол с PbSe можно выделить две фракции частиц, размер

большей фракции более чем вдвое превышает размер частиц меньшей фракции. Увеличение температуры приводит к некоторому увеличению размеров до 20 нм.

а2, А2

Рис. 3. Результаты аппроксимации данных МУРН для стекол с наночастицами РЬБв в

приближении Гинье

Таблица 1. Значения размеров частиц, полученных в результате обработки данных МУРН для стекол с наночастицами РЬБ и РЬБв

Образец А Я А Диаметр частиц, нм

РЪБ

480/50 23.5 30.3 6

480/70 27.8 35.9 7

480/120 30.5 39.3 8

480/70+525/10 42.5 54.8 11

РЪБе

480/56 27.1 35.0 7

62.4 80.5 16

525/50 31.3 40.4 8

78.4 101.1 20

Следует отметить, что сложная форма кривой МУРН (выпуклость в области Р>0.02 А"1) для стекол с РЪ8 указывает на дополнительные особенности структурной организации частиц, которые не описываются используемым здесь приближением Гинье и будут учтены в будущем в более строгой модели.

Результаты ЭМ-исследования представлены на рисунке 4 и показывают как сами наночастицы, так и области их локализации в матрице стекла. По интервалу наблюдаемых размеров ЭМ-данные в целом не противоречат обсуждаемым выше результатам МУРН, в частности, бимодальный характер распределения по размерам имеет место для стекол с PbSe.

Рис. 4. Типичные микрофотографии просвечивающей ЭМ для образцов стекол с наночастицами PbS и PbSe

Таким образом, проведенное структурное исследование стекол с наночастицам халькогенидов свинца методами МУРН и ЭМ устанавливает размеры наночастиц халькогенидов свинца и характер их локализации в стекле. Полученный интервал размеров частиц PbS и PbSe согласуется с оптическими исследованиями экситонного поглощения и люминесценции таких стекол [3, 5].

Автор выражает благодарность Рачковской Г.Е. и Захаревич Г.Б. (БГТУ) за любезно предоставленные образцы стекол, а также Кичанову С.Е. и Горшковой Ю.Е. (ОИЯИ) за помощь в проведении измерений МУРН.

Работа выполнена при поддержке Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований (проект Х17Д-012) и Государственной программы научных исследований «Нанотех» Республики Беларусь.

Список литературы

1. Маляревич А.М., Юмашев К.В. Твердотельные просветляющиеся среды, 2008. Минск. БНТУ. 204 с.

2. Lagatsky A.A., Leburn C.G., Brown C.T.A. Ultrashort-pulse lasers passively mode locked by quantum-dot-based saturable absorbers // Progr. Quantum Electronics, 2010. Vol 34. P. 1-45.

3. Loiko P.A., Rachkovskaya G.E., Zacharevich G.B., Gurin V.S., Gaponenko M.S., Yumashev K. V. Optical properties of novel PbS and PbSe quantum-dot-doped alumino-alkali-silicate glasses // J. Non-Cryst. Solids, 2012. Vol. 358. P. 1840-1845.

4. Guinier A., Fournet G. Small-angle scattering of X-rays. John Wiley and Sons, NewYork, 1955.

5. Loiko P.A., Rachkovskaya G.E., Zacharevich G.B., Yumashev K.V. Wavelength-tunable absorption and luminescence of SiO2-Al2O3-ZnO-Na2O-K2O-NaF glasses with PbS quantum dots // J. Luminescence, 2013. Vol. 143. P. 418-422.