Образование плазмонно-резонансных наноструктур и их модификация в дисперсных системах под действием оптического излучения

• Автор: Грачев, Алексей Сергеевич
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Красноярск
• Количество страниц: 178 с. : ил.

АННОТАЦИЯ
В работе экспериментально реализованы методы управления локальной геометрией агрегатов наночастиц и исследовно влияние этой геометрии на спектры плазмонного поглощения агрегатов. Исследуются закономерности самоорганизации ансамблей наночастиц в кристаллические структуры в лиозолях металлов методом броуновской динамики. Изучается влияние на кристаллизацию электронного туннельного эффекта с учетом межчастичных электростатических взаимодействий. Исследуется кинетика кристаллизации ансамблей наночастиц. Анализируются причины появления различного типа дефектов в коллоидных кристаллах. Исследуются спектры экстинкции плазмонно-резонансных наноструктур различного типа. Экспериментально изучаются закономерности лазерных фотохромных эффектов и формирования нелинейнооптических откликов наноколлоидов, содержащих неупорядоченные агрегаты плазмонно-резонансных наночастиц. Показано, что эти эффекты обусловлены сближением частиц в резонансных доменах. С помощью соотношений Крамерса-Кронига, изучается изменение показателя преломления среды в условиях проявления нелинейной рефракции, вызванной лазерной фотомодификацией агрегатов наночастиц на примере серебра. Установлено, что появление в спектре плазмонного поглощения неупорядоченных коллоидных агрегатов серебра лазерно-индуцированных спектрально-селективных провалов может приводить к существенному динамическому изменению рефракции наноколлоидов, совпадающему по величине с экспериментальными данными.

СОДЕРЖАНИЕ

Обозначения и сокращения

Введение

ГЛАВА 1 Обзор литературы

ГЛАВА 2 Методы воздействия на локальную и макроскопическую структуры агрегатов

2Л Параметр локальной анизотропии

2.2 Расчет спектров экстинкции агрегатов наночастиц

2.2.1 Основные уравнения метода связанных диполей

2.2.2 Связь фактора экстинкции с коэффициентом поглощения
2.3 Методы приготовления гидрозолей металлов
2.3.1 Метод, основанный на использовании препарата колларгол
2.3.2 Метод восстановления серебра борогидридом натрия
2.3.3 Метод восстановления серебра этиловым спиртом
2.4 Методы приготовления нанокомпозитов «металл-диэлектрик» на основе наночастиц
2.4.1 Метод приготовления полимерных матриц
2.4.2 Метод получения тонкопленочных образцов содержащих квазидвумерные агрегаты из наночастиц
2.5 Изотропное сжатие агрегатов наночастиц в полимерных матрицах
2.6 Упорядочение агрегатов при добавлении в дисперсионную среду водорастворимого полимера ПВП
2.7 Выводы по главе
ГЛАВА 3 Кристаллизация наноструктурированных дисперсных систем
3.1 Модель кристаллизации коллоидной системы
3.1.1 Взаимодействие Ван-дер-Ваальса
3.1.2 Упругое взаимодействие
3.1.3 Электростатическое взаимодействие
3.1.4 Вязкое трение и стохастические силы
3.1.5 Диссипативные силы в пределах адсорбционного слоя. Касательное межчастичное трение и отличие условий кристаллизации в главном и вторичном потенциальных минимумах
3.2 Связь межчастичных взаимодействий с процессом кристаллизации
3.3 Параметр дефектности коллоидных кристаллов на основе фактора локальной анизотропии
3.4 Кинетика кристаллизации
3.5 Дефекты коллоидных кристаллов

3.5.1 Типы дефектов
3.5.2 Закономерности появления дефектов коллоидных кристаллов
3.5.3 Влияние температуры дисперсной системы на процесс ее кристаллизации. Условия структурных превращений коллоидных кристаллов "порядок-беспорядок"
3.5.4 Возможные методы устранения дефектов. Имитация действия ультразвука на коллоидные квазикристаллы
3.6 Влияние электронного туннельного эффекта на кристаллизацию бимодальных наноколлоидов металлов
3.6.1 Парные потенциальные зависимости и тип коагуляционных структур
3.6.2 Роль электронного туннельного эффекта при самоорганизации наночастиц в периодические структуры
3.6.3 Модификация потенциального барьера вследствие близкого расположения соседней частицы
3.6.4 Взаимное разнополярное заряжение сталкивающихся разноразмерных частиц и его кинетика
3.7 Основные выводы по главе
ГЛАВА 4 Экспериментальные исследования спонтанных и фотостимулированных структурных превращений в дисперсных системах
4.1 Структурные превращения агрегатов наночастиц серебра при их осаждении на плоскую диэлектрическую положку
4.2 Фотостимулированная агрегация электростатически стабилизированных гидрозолей металлов
4.3 Лазерная фотомодификация агрегатов наночастиц и ее закономерности
4.3.1 Физические модели фотомодификации агрегатов наночастиц
4.3.2 Моделирование процессов фотомодификации
4.3.3 Облучаемые материалы, содержащие агрегаты наночастиц серебра
4.3.4 Лазерная фотомодификация неупорядоченных агрегатов наночастиц серебра в гидрозоле
4.3.5 Лазерная фотомодификация агрегированных нанокомпозитов серебра внедренных в желатиновую матрицу
4.3.6 Эксперименты по облучению осадочных пленок
4.3.7 Изменение структуры агрегатов наночастиц серебра при лазерном облучении гидрозолей
4.4 Влияние лазерной фотомодификации на нелинейную рефракцию гидрозолей серебра

частиц со значительным уменьшением объема внутренних пустот. Очевидно, что такие изменения сопровождаются локальной перестройкой агрегатов, которые приобретают сходство с плотными упакованными агрегатами из хаотически расположенных сферических частиц.
Рис. 4. Сравнительные электронно-микроскопические изображения структур агрегатов серебра в гидрозоле до их внедрения в желатиновую матрицу (1, 2) и характерных структур, обнаруженных в тонких (толщиной от 200 до 700 нм) срезах матрицы в стадии ее полной
Эволюция спектра плазменного поглощения агрегатов наночастиц серебра в процессе сжатия желатиновой матрицы соответствует кривым 2-5 рис. 3. Кривая 2 соответствует начальному желеобразному состоянию матрицы, кривая 5 - стадии полной дегидратации, сжатия и затвердевания желатина. В эксперименте в серии из пяти независимых измерений статистически воспроизводилась закономерность, состоящая в постепенном уменьшении протяженности длинноволнового крыла (рис. 3). По сути дела, такой же эффект уменьшения протяженности длинноволнового крыла спектра наблюдался в [29] в процессе самоупорядо-чения агрегатов наночастиц серебра в растворе гексана и их трансформации в двумерные сверхрешетки (с соответствующим уменьшением локальной анизотропии).
На рис. 5 представлены результаты численных расчетов процесса сжатия матрицы с внедренным в нее рыхлым агрегатом, состоящим из 500 частиц. Показаны основные стадии данного процесса, соответствующие уменьшению объема матрицы с агрегатом и его изотропному сжатию. Получение исходных агрегатов осуществлялось в соответствии с мето-

дегидратации (3-5).