CC BY
69
УДК 621.793
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПОЛУЧЕНИЯ СЛОЁВ НАНОЧАСТИЦ АЛЮМИНИЯ И ВАНАДИЯ НА ПОВЕРХНОСТИ ПОДЛОЖЕК В ВАКУУМЕ
Владимир Владимирович Чесноков
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор-консультант кафедры физики, тел. (383)361-08-36, e-mail: garlic@ngs.ru
Дмитрий Владимирович Чесноков
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, заведующий кафедрой наносистем и оптотехники, тел. (383)361-08-36, e-mail: phys003@list.ru
Максим Викторович Кузнецов
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант, техник кафедры физики, тел. (383)361-08-36, e-mail: say1945@mail.ru
Дмитрий Михайлович Никулин
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры физики, тел. (383)361-08-36, e-mail: dimflint@mail.ru
Александра Сергеевна Сырнева
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, ассистент кафедры физики, тел. (383)361-08-36, e-mail: aleksandra-syrneva@yandex.ru
Дарья Сергеевна Михайлова
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, ассистент кафедры физики, тел. (383)361-08-36, e-mail: daria-83@mail.ru
Представлены результаты исследований процессов получения на поверхности подложек слоёв наночастиц и тонкоплёночных структур типа «наночастицы в полимерной матрице», обладающих нелинейно-оптическими свойствами.
Ключевые слова: нелинейно-оптические свойства, наноструктурированные материалы, наночастицы, испарительно-конденсационный метод.
THE INVESTIGATION OF PROCESSES OF ALUMINUM AND VANADIUM NANOPARTICLE'S LAYERS CREATION ON SURFACE OF SUBSTRATE IN VACUUM
Vladimir V. Chesnokov
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Doctor of Technical Sciences, Professor of Physics Department, tel. (383)361-08-36, e-mail: garlic@ngs.ru
Dmitry V. Chesnokov
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Candidate of Technical Sciences, Chair of Nanosystems and Optical Engineering Department, tel. (383)343-29-29, e-mail: phys003@list.ru
Maksim V. Kuznetsov
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., technician of Physics department, tel. (383)361-08-36, e-mail: say1945@mail.ru
Dmitry M. Nikulin
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Candidate of Technical Sciences, Senior Lecturer of Physics department, tel. (383)361-08-36, email: dimflint@mail.ru
Alexandra S. Syrneva
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Assistant Lecturer of Physics department, tel. (383)361-08-36, e-mail: aleksandra-syrneva@yandex.ru
Darya S. Mihajlova
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Assistant Lecturer of Physics department, tel. (383)361-08-36, e-mail: daria-83@mail.ru
The results of investigation processes of nanoparticle's layers and thin film's structures "nanoparticles in polymer matrix" with nonlinear optical properties creation on surface of substrate are demonstrate.
Key words: nonlinear optical properties, nanostructured material, nanoparticles, evaporation- condensation technique.
Нелинейно-оптические и нелинейно-электрические свойства слоёв наночастиц на поверхности подложек привлекают внимание исследователей. Широко исследуются технологии получения таких слоёв и их функциональные возможности, например, [1,2,3,4].
Среди известных методов получения структур на поверхности подложек, являющихся слоями наноразмерных кластеров, привлекают внимание своей контролируемостью и одностадийностью вакуумные методы, в том числе, испарительно-конденсационный метод [5] и метод введения атомного пара в уже приготовленную полимерную плёнку, находящуюся на подложке в вязко-текучем состоянии, где происходит диффузионное формирование кластеров, с последующим переводом плёнки в состояние твёрдого вещества [6].
В настоящем сообщении излагаются результаты работ, проведённых при выполнении НИР [7], по исследованию вакуумных технологий получения наночастиц на поверхности подложек.
Разработка лабораторной испарительно-конденсационной методики получения наночастиц алюминия, ванадия и их окислов проводились с использованием экспериментальной установки испарительно-
конденсационного нанесения наночастиц металлов на подложки, собранной на базе вакуумной напылительной установки ВУ-1А. На рис. 1 показана схема размещения генератора наночастиц под колпаком вакуумной установки и фотография собранного устройства, где: 1 - подложка, 2 -испаритель, 3 - «навеска», 4 - приспособления для формирования направленного потока газа, 5 - «свидетель» прибора оптического контроля толщины плёнок.
Подача азота
Г "-1 V-* г п
т Откачка
а б
Рис. 1. Экспериментальная установка испарительно-конденсационного нанесения наночастиц металлов на
подложки:
а - конструктивная схема; б - фотография генератора наночастиц, установленного в реакционной камере установки
На проволочном вольфрамовом испарителе размещалась алюминиевая «навеска». В качестве подложки использовалась кварцевая пластина диаметром
20 мм, которая располагалась на расстояние 200 мм от испарителя на «свидетеле» оптического контроля толщины. После откачки рабочего объёма вакуумной установки до давления 10-6 мм. рт. ст. в установку с помощью регулируемого натекателя напускался инертный газ (аргон). Газ вводился в нижний отсек формирователя 4 газового потока через медную трубку; формирователь разделён на два отсека перегородкой-диафрагмой, в которой выполнено множество сквозных отверстий, обеспечивающих равномерное распределение газового потока по его сечению на выходе из формирователя. Во время подачи инертного газа откачка производилась форвакуумными насосами; регулируя поток инертного газа, можно было установить равновесное давление в вакуумной установке величиной порядка 0,3 мм рт. ст. Поток газа при помощи формирователя направлялся на подложку 1, одновременно «омывая» испаритель 2, как показано на рис. 1.
Во время напыления на испаритель подавался ток 150 А в течении (30-40) с. В результате эксперимента на подложке образовался слой наночастиц алюминия в виде чёрного полупрозрачного налёта.
Спектр оптического пропускания слоя наночастиц алюминия на подложке, измеренный на спектрофотометре СФ-56 в диапазоне от 190 до 1100 нм, представлен на рис. 2.
Рис. 2. Спектр оптического пропускания излучения слоем наночастиц алюминия на подложке из плавленого кварца в диапазоне от 190 до 1100 нм
Характер спектра соответствует спектру пропускания света наночастицами металла - увеличение пропускания с увеличением длины волны света.
Аналогичным алюминию методом получены наночастицы ванадия, с тем отличием, что в качестве испарителя использовалась молибденовая лента. Спектры пропускания слоёв наночастиц ванадия на подложке из плавленого кварца приведены на рис. 3.
Рис. 3. Спектр оптического пропускания в диапазоне от 190 до 1100 нм наночастиц:
а - ванадия; б - оксида ванадия
Исследована возможность преобразования наночастиц металлов в наночастицы окислов. Кварцевая подложка со слоем наночастиц извлекалась из вакуумной установки и отжигалась в атмосфере воздуха в пламени спиртовки. Через (3-5) минут слой наночастиц ванадия постепенно, начиная с края подложки, изменил свой цвет с серого на оранжевый. В соответствии с [8] оксид ванадия У205 имеет оранжевый цвет (все остальные оксиды ванадия имеют чёрный или серый цвет), что свидетельствует о преобразовании наночастиц ванадия в наночастицы пятиокиси ванадия. Спектры пропускания слоя наночастиц оксида, полученного окислением слоя металлических наночастиц ванадия (см. рис. 3, а) показаны на рис. 3, б. Уменьшение пропускания в коротковолновой области спектра может свидетельствовать об увеличении сечения экстинкции наночастиц при окислении, например, вследствие коагуляции. Небольшой пик поглощения вблизи длины волны 410 нм на рис. 3, б может свидетельствовать о некотором оптическом резонансе в частицах на этой длине волны.
Полученные на подложках слои наночастиц металлов имели к ним слабую адгезию. Для улучшения адгезии, а также для погружения наночастиц металла в полимерную матрицу, что имеет значение для создания нелинейно-оптических свойств у слоёв, проведены эксперименты по осаждению наночастиц на поверхность расплава полимерного слоя на подложке. Используемая методика отличается от описанной в [6] тем, что на поверхность осаждался не атомный пар, а кластеры металла, уже сформировавшиеся в разреженном газе в вакуумной установке.
Для получения полимерных слоёв изготавливался раствор «жидкого оргстекла» из стружки оргстекла, растворенной в бутилацетате в пропорции 200 мг стружки на 10 мл растворителя. Раствор наносился на поверхность
дистиллированной воды из пипетки в количестве 2-3 капель и оставлялся в сухом и чистом боксе до полного высыхания мембраны. В результате на поверхности воды образовывалась пленка толщиной 0,8-1 мкм. Полученная плёнка переносилась на поверхность кварцевой пластины диаметром 20 мм путём поднятия пластины со дна емкости. Образец в специальном приспособлении, предназначенном для нагрева подложек, размещался в вакуумной установке ВУ-1А, как показано на рис. 1. Подложка нагревалась до 150 °С. На расплав оргстекла наносились наночастицы ванадия испарительно-конденсационным способом. На рис. 4 приведён оптический спектр пропускания полученной структуры в сравнении с спектром плёнки оргстекла (справа) без наночастиц.
Спектр на рис. 4, а качественно повторяет график на рис. 3, а, увеличение поглощения в случае наночастиц в полимерной матрице может быть вызвано увеличенным количеством наночастиц на пути светового луча.
Результаты работы заключаются в создании экспериментальной установки вакуумного нанесения слоёв наночастиц на подложки, исследовании технологий нанесения наночастиц металлов на подложки, их трансформации в наночастицы окислов, исследовании технологии получения слоёв наночастиц в полимерной матрице. Для характеризации наночастиц применена методика исследования спектров пропускания слоёв в широком спектральном диапазоне.
Рис. 4. Спектр пропускания света в диапазоне (190-1100) нм плёнки
оргстекла:
а - с наночастицами ванадия; б - без наночастиц
Представленные результаты получены при финансовой поддержке государства в лице Минобрнауки России при выполнении ГК № 14.513.12.0001 от 28.02.2013 г. (шифр 2013-1.3-14-513-0018-047).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Трусов Л.И., Холмянский В.А. Островковые металлические плёнки. - М.: Металлургия, 1973.
2. Помогайло А.Д., Розенберг А.С., Уфлянд И.Е. Наночастицы металлов в полимерах. - М.: Химия, 2000.
3. Гусев Ф.И. Наноструктуры, наноматериалы, технологии. - М.: Физматлит, 2005.
4. Суздалев И.П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. - М.: КомКнига, 2006.
5. Рыжонков Д.И. Наноматериалы: учебное пособие. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008.
6 . Формирование наночастиц серебра при осаждении металла на эпоксидную смолу, находящуюся в вязко-текучем состоянии / Степанов А.Л. и др. // Журнал технической физики. - 2009. - Т. 79, Вып. 7. - С. 70-75.
7. Исследование путей создания материалов на основе фуллеренов и углеродных нанотрубок и технологий управления фотофизическими процессами в лазерных системах: Отчёт о НИР (промежут.) / Сиб. гос. геодез. акад.; рук. Чесноков В.В.; исполн. Чесноков Д.В., Шергин С.Л., Никулин Д.М., Райхерт В.А., Кочкарев Д.В., Михайлова Д.С., Сырнева А.С., Кузнецов М.В., Лаптев Е.В., Достовалов Н.Н., Сидоров А.А., Меркульев Е.А., Павлов А.А. - Новосибирск, 2013. - 219 с. - 012013.64694. - этап 1.
8. Физико-химические свойства окислов. Справочник / Под ред. Г.В. Самсонова. -М.: Металлургия. 1969.
© В. В. Чесноков, Д. В. Чесноков, М. В. Кузнецов, Д. М. Никулин, А. С. Сырнева, Д. М. Михайлова, 2014
