Влияние нагрева наночастиц оптического плазмонного волновода на его трансмиссионные свойства Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Решетнеескцие чтения. 2015

Первые результаты данной технологии получены на системах Ре-1п203 [3] и Ре-2г02 [4], в которых удалось получить магнитные зерна Бе размерами от 50 до 200 нм при низкой температуре инициирования реакции (180 °С для Ре-1п203 и 250°С для Бе- Хг02 соответственно).

В данной работе были получены магнитопленоч-ные композиты Со-Хг02 и Со-А1203 методом твердофазного синтеза между слоями Со304/ Хх и Со304/ А1.

Сперва методом вакуумного термического осаждения при остаточном давлении 10-6 Торр на подложке из №С1(001) и химически чистом стекле (температура подложек составляла 250 °С) получали слой чистого Со толщиной порядка 250 А. Сразу после напыления измеряли величину намагниченности полученных пленок.

Затем пленки Со окисляли в муфельной печи при температуре 450 °С в течение 3 часов. Затем на одну партию пленок осаждали слой Хг, на вторую слой А1 при комнатной температуре подложек, чтобы предотвратить реакцию между слоями оксида Со и металлом-восстановителем в процессе осаждения.

Толщина слоя металла-восстановителя также составляла порядка 250 А. Полученные двухслойные пленки Со304 /Хг и Со304 /А1 многократно отжигались в вакууме при остаточном давлении 10-6 Торр и температуре от 100 до 500 °С с шагом в 50 °С.

Время каждого этапа отжига составляло 1 час. После каждого этапа измерялась намагниченность пленок с целью определения процентного содержания восстановленного Со. В процессе отжига было установлено, что температура инициирования реакции Со304 + 2Хг ^ 3Со + 2Хг02 составила 250 °С и 500 °С

для реакции 3Co3O4 + 8Al ^ 9Co + 4Al2O3 соответственно.

Восстановление Co составило 80 % для системы Co-ZrO2 и 60 % для C0-AI2O3.

Методами просвечивающей электронной микроскопии (см. рисунок) установлено, что размер гранул Co (темные области на снимках) составляет 20-100 нм.

Для подтверждения проведен энергодисперсионный анализ, который показывал, что частицы Со покрыты оксидной матрицей.

Таким образом, показано что термитные реакции могут быть успешно использованы для получения магнитных композитных пленок на основе Co с высоким процентным содержанием восстановленного Co (до 80 % для пленок Co-ZrO2 и 60 % для Co-Al2O3) и размером кобальтовых частиц порядка 20-100 нм. Меньший процент восстановления Co в пленках Co-Al2O3 связан с образованием CoO, который менее активен, чем Co3O4.

References

1. Batlle X., Labarta A., Phys J.. D: Appl. Phys. 35 (2002) 15-42.

2. Yueen S., Chen Y., Kubsh J. E., Phys J. Chem. 86 (1982) 3022-3032.

3. Myagkov V. G., Tambasov I. A., Bayukov O. A. et. al. J. Alloys Comp. 612 (2014) 189-194.

4. Myagkov V. G., Bykova L. E., Bayukov O. A. et. al. J. Alloys Comp. 636 (2015) 223-228.

© Волочаев М. Н., Жигалов В. С., Мягков В. Г., 2015

УДК 535.015

ВЛИЯНИЕ НАГРЕВА НАНОЧАСТИЦ ОПТИЧЕСКОГО ПЛАЗМОННОГО ВОЛНОВОДА НА ЕГО ТРАНСМИССИОННЫЕ СВОЙСТВА

В. С. Герасимов1, А. Е. Ершов1' 2' 3*, А. П. Гаврилюк1' 3, И. Л. Рассказов1, С. П. Полютов1, С. В. Карпов1, 2

1 Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79

2Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

3Институт вычислительного моделирования СО РАН Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50/44 E-mail: *[email protected]

Рассматривается влияние нагрева частиц оптических плазмонных волноводов как перспективных элементов высокопроизводительных вычислительных комплексов на их функциональные свойства.

Ключевые слова: наноплазмоника, плазмонный резонанс, волновод, наночастица, нагрев.

EFFECT OF HEATING PARTICLES IN OPTICAL PLASMONIC NANOWAVEGUIDE ON ITS TRANSMISSION PROPERTIES

V. S. Gerasimov1, A. E. Ershov1, 2 3 *, A. P. Gavrilyuk1, 3, I. L. Rasskazov1, S. P. Polutov1, S. V. Karpov1, 2

1 Siberian Federal University 79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation 2Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation 3Institute of Computational Modeling SB RAS 50/44, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation E-mail: *[email protected]

We study the effect of heating the particles by laser radiation in optical plasmonic nanowaveguides as the promising elements of high-performance computing systems on the functional properties.

Keywords: nanoplasmonics, plasmon resonance, waveguide, nanoparticle, heating.

В последнее время особое внимание исследователей уделяется созданию систем, позволяющих передавать модулированное пространственно-локализованное оптическое излучение с помощью цепочек из наночастиц с плазмонным резонансом. Это, прежде всего, объясняется возможностью создания нанораз-мерных оптических логических элементов. Такие элементы, работающие на масштабах значительно меньших длины волны лазерного излучения на оптических частотах, открывают перспективы создания принципиально новых типов высокопроизводительных вычислительных устройств для использования в различных прикладных областях, включая ракетно-космическую отрасль.

В работах [1; 2] исследуются трансмиссионные свойства таких цепочек, представляющих собой оптические плазмонные волноводы (ОПВ), влияние на эти свойства различных факторов, таких как дефектность структуры волновода, материал и форма частиц, межчастичное расстояние и т. д. В работе [3] показано, что при взаимодействии плазмонной наночастицы с внешним оптическим излучением происходит ее нагрев, что в свою очередь приводит к значительному ухудшению резонансных свойств. В настоящее время данные о влиянии нагрева наночастиц на трансмиссионные свойства нановолноводов в литературе отсутствуют.

Для определения влияния нагрева частиц на трансмиссионные свойства нановолноводов была разработана комплексная модель, учитывающая оптические взаимодействия в системе при возбуждении плазмонного резонанса на первой частице цепочки и распространении вдоль нее поверхностного плазмон-поляритона (ПИП) с использованием метода связанных диполей. Поглощаемая мощность лазерного излучения в дипольном приближении описывается выражением [4]

W =-

щЩ

2s0

-Im

где d1 - дипольный момент частицы; ю - частота оптического излучения; а, - дипольная поляризуемость частицы; * означает комплексное сопряжение. Поглощение лазерного излучения приводит в первую очередь к нагреву электронов проводимости наноча-

стицы, которые в свою очередь разогревают ионную подсистему (кристаллическую решетку частицы).

Изменение температуры (Те)г электронной компоненты, обусловленное поглощением частицей энергии падающей электромагнитной волны и теплообменом с ионной компонентой, описывается выражением [5]

(^e

d (Te

-g [(Te ) -(Ti ) ;

W

л ^ е" 4 1" - V Здесь (Се),- - объемная теплоемкость электронной компоненты: (Се)г = 68(Te)j Дж/м3; V, - объем частицы; g = 4*1016 Дж/м3-К-с - скорость энергетического обмена между электронной и ионной подсистемами, не зависящая от температуры при температурах выше температуры Дебая.

Температура ионной компоненты частицы и окружающей ее среды рассчитывается путем решения методом конечных элементов уравнения теплопроводности:

дТ

dt

- a(r)AT = f (r, t),

где я(г) - зависящая от координаты температуропроводность; /(г,/) - функция источника, описывающая теплообмен с электронной компонентой материала частицы.

На каждом шаге итерации по времени вследствие изменения температуры происходит изменение константы электронной релаксации материала частицы, которое может быть описано следующим выражением:

(Гм), = Ь • (Т)г + с,

где Ь и с - коэффициенты, полученные из экспериментальных данных [6]. Кроме того, при достижении температуры плавления материала частиц [7] происходит скачкообразное ухудшение резонансных свойств [8]. Данный фактор также учитывается в разработанной модели.

Спектральная зависимость трансмиссионных свойств ОПВ описывается следующим выражением:

Qr (X) =

= |dN (X, t)|

/ = 0)|'

где Qtr(Ъ) представляет собой спектр трансмиссии ОПВ; dдД,í) - дипольный момент последней частицы в цепочке; йдД,/1 = 0) - дипольный момент первой частицы в начальный момент времени.

2

Решетнееские чтения. 2015

Поле температур при t = 8.85 хН)

80 100 X, нм

Рис. 1. Поле температур в центральном сечении ОПВ при Г = 8,85*10-11 с (первая частица находится справа)

1100

940 780

I

1620 460

boo

Рис. 2. Спектр трансмиссии цепочки ОПВ из 11 частиц в начале действия импульса (а)

и при Г = 8,85х10-11 с (б)

a

б

На рис. 1 представлено поле температур в центральном сечении цепочки наночастиц, лежащей на диэлектрической термостатируемой подложке (изображена схематически). На первой частице цепочки внешним оптическим полем с интенсивностью 1,66х108 Вт/см2 возбуждается поверхностный плаз-мон, который распространяется вдоль цепочки в виде ППП. Одновременно с прохождением плазмонного возбуждения по цепочке наночастиц происходит их интенсивный нагрев.

Такой нагрев нескольких первых частиц в нано-волноводе приводит к существенному снижению трансмиссии волновода в целом. На рис. 2 показаны спектры трансмиссии ОПВ на начальном этапе возбуждения и после воздействия внешнего оптического излучения в течение 8,85 х10-11 с. Как видно из представленных спектров, максимум в спектре трансмиссии при нагреве и дальнейшем плавлении частицы снижается приблизительно в 2 раза.

Таким образом, показано, что нагрев наночастиц волновода существенным образом влияет на его трансмиссионные свойства. Обращено внимание на важность учета влияния фактора плавления частиц ОПВ на его трансмиссионные характеристики. Полу-

ченные результаты показывают необходимость внесения в конструкцию ОПВ элементов дополнительного охлаждения, сопряженных с технологической подложкой.

References

1. Rasskazov I. L., Karpov S. V., Markel V. A. Nondecaying surface plasmon polaritons in linear chains of silver nanospheroids //Optics Letters. 2013. Vol. 38. no. 22. P. 4743-4746.

2. Rasskazov I. L., Karpov S. V., Markel V. A. Waveguiding properties of short linear chains of nonspherical metal nanoparticles //Journal of the Optical Society of America B. 2014. Vol. 31. no. 12. P. 2981-2989.

3. Ershov A. E., Gavrilyuk A. P., Karpov S. V., Semina P. N. Optodynamic phenomena in aggregates of polydisperse plasmonic nanoparticles // Appl. Phys. B. 2014. V. 115, №. 8. P. 547-560.

4. Claro F., Rojas R. Novel laser interaction profiles in cluster of mesoscopic particles // Applied Physics Letters. 1994. V. 65, № 21. P.2643-2745.

5. Gavrilyuk A. P., Karpov S. V. Processes in resonant domains of metal nanoparticle aggregates and optical nonlinearity of aggregates in pulsed laser fields // Appl. Phys. B. 2009. V. 97, № 1. P. 163-173.

6. M. Otter. Temperaturabhangigkeit der optischen Konstanten massiver Metalle //Zeitschrift fur Physik 161, 539-549 (1961)

7. Castro T., Reifenberger R., Choi E., Andres R. P. Size-dependent melting temperature of individual nanometer-sized metallic clusters // Physical Review B. 1990. V. 42, № 13. P. 8548-8555.

8. Miller J. C. Optical properties of liquid metals at high temperatures // Philosophical Magazine. V. 20, № 168. P. 1115-1132

© Герасимов В. С., Ершов А. Е., Гаврилюк А. П., Рассказов И. Л., Полютов С. П., Карпов С. В., 2015

УДК 543.4; 533.9

ВЛИЯНИЕ ДАВЛЕНИЯ ГЕЛИЯ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ СИНТЕЗА ЭМФ*

У. Е. Гуляева1, 2*, Н. Г. Внукова1, 2, А. И. Дудник1, 2, Г. Н. Чурилов1, 2

1 Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79

2Институт физики им. Л. В. Киренского СО РАН Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50/38 E-mail: *[email protected]

На примере Gd@C82 показаны эффективные способы синтеза, выделения и анализа эндоэдральных метал-лофуллеренов, которые могут стать самым подходящим наноматериалом, востребованным в области микроэлектроники и космонавтики.

Ключевые слова: эндоэдральные металлофуллерены, атомно-эмиссионный анализ.

INFLUENCE OF PRESSURE HELIUM ON EFFECTIVE EMF SYNTHESIS

U. E. Guliaeva1,2*, N. G. Vnukova1,2, A. I. Dudnik1,2, G. N. Churilov1,2

1 Siberian Federal University 79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation 2L. V. Kirensky Institute of Physics SB RAS 50/38, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation E-mail: *[email protected]

The effective methods of synthesis, extraction and analysis of endohedral fullerenes are shown with the case of Gd@C82. Endohedral fullerenes may become the high-demand nanomaterials for microelectronics and cosmonautics.

Keywords: endohedral metallofullerenes atomic emission analysis.

Введение. Особенность электронной структуры эндоэдральных металлофуллеренов (ЭМФ), связанная с передачей валентных электронов металла фуллере-новой оболочке, фундаментальным образом отражается на свойствах этих соединений. Структурно ЭМФ отличаются от пустых фуллеренов тем, что ион металла внутри молекулы расположен со смещением относительно центра.

За счет этого молекула, например Gd@C82, имеет большой электрический дипольный момент ~4Д [1]. Наличие у молекул ЭМФ постоянного дипольного момента приводит к возникновению в веществе управляемой величины поляризации. Такие вещества могут быть использованы для изготовления датчиков тепловых нейтронов, так как гадолиний отличается самым большим сечением захвата (160 тыс. барн), а также обладают сегнетоэлектрическими свойствами и возможностью поглощать электромагнитное излучение в широком диапазоне частот.

Несмотря на имеющийся прогресс в исследовании свойств ЭМФ [2], пока нет высокопроизводительного

метода их синтеза. Это остается основной задачей, решение которой невозможно без точной количественной оценки содержания ЭМФ в фуллереновой смеси.

Для их количественного анализа уже определены экстинции методом потенциометрического титрования [3] и разработана методика хроматографического разделения фуллереновой смеси с последующим взвешиванием фракций, содержащих ЭМФ. Однако эти методы требуют большого количества реагентов и много времени.

Столкнувшись с этой проблемой, мы разработали методику, которая позволяет практически в экспресс-режиме определять количественно содержание ЭМФ в синтезированной при определенных параметрах фуллереновой смеси.

Предложенная методика основана на применении методов масс-спектрометрии для установления качественного состава фуллереновой смеси и атомно-эмиссионной спектроскопии для определения количественного содержания металла [4], который использовался в качестве допанта.

*Работа выполнена при частичной поддержке гранта РФФИ № 15-03-06786 и Министерства образования и науки РФ № 14.613.21.0010.