Исследование спектральной зависимости показателя поглощения ванадия

Развитие науки и техники требует использования новых функциональных и конструкционных материалов. Среди перспективных металлов выделяется ванадий [1]. Химически конденсированный ванадий довольно инертен, стоек к действию разбавленных растворов соляной, азотной и серной кислот. Ванадий в настоящее время используется в качестве добавки для получения нержавеющих сплавов. Металлический ванадий используют в атомной энергетике, производстве электронных приборов. Соединения ванадия применяют в качестве катализаторов. Использование ванадия в оптических системах на сегодняшний день явно недостаточное. Перспективы его использования определяются высокой температурой плавления (2193 К). Поэтому этот металл может использоваться в оптических системах инициирования (оптических детонаторах) [2-4]. Немаловажное значение для этого имеет широкое распространение ванадия в земной коре. Например: распространение ванадия больше меди и никеля в 1.5 раза, цинка — в 3, олова — 3.75, кобальта — 5, свинца — 9.375, серебра — 1500, золота и платины — в 30000 раз. Однако он значительно уступает всем этим металлам по применению в современной промышленности.

Цель работы: исследование спектральной зависимости коэффициентов эффективности поглощения наночастиц и показателя поглощения металлического ванадия.

Экспериментальное решение данной задачи является трудоемкой задачей даже для одной длины волны, радиуса наночастицы и толщины пленки металла [5-7]. Первоначальный этап решения этой задачи является теоретическим [8] и заключается в расчете необходимых закономерностей и выделении наиболее перспективных спектральных диапазонов [7, 9]. Коэффициент эффективности поглощения сферической наночастицы радиуса R рассчитывался в рамках теории Ми по методике, приведенной в работе [9-11]. Влияние формы на оптические свойства исследовался в работе [12] для цилиндрических наночастиц. В этом случае появляется дополнительная размерная величина, характеризующая форму: кроме радиуса еще и образующая [12]. Кроме того, начинает влиять поляризация света [12]. Первичное исследование вопроса рационально проводить на наночастицах максимально упрощенной формы, для которой существуют максимально точные модельные представления определения характеристик процесса [2-7, 9-11, 13]. На сегодняшний день существуют несколько способов синтеза наночастиц практически сферической формы: электровзрыв в вакууме, восстановление свежеосажденного гидроксида необходимого металла гидразином [14]. Оптимизацией условий синтеза можно получить сферические наночастицы с необходимыми радиусами (R) [14, 15]. Для расчета спектральных закономерностей коэффициента эффективности поглощения необходим комплексный показатель преломления (mi), который в свою очередь, также зависит от длины волны падающего излучения [9-13]. В работах [5-7, 15-24] использовались спектральные значения mi для алюминия, металлов подгруппы железа, меди, серебра, золота, взятые из справочника [25]. Исследование оптических свойств начнем со спектрального диапазона 400-1200 нм, для которого существуем достаточно много прозрачных, востребованных в промышленности матриц. Комплексный показатель преломления состоит из двух частей: действительной (Re(mi)) и мнимой Im(mi), представленных в таблице 1 [25]. В отличие от металлов алюминия, никеля, кобальта [5-7, 15-22], как действительная, так и мнимая части mi в исследуемом спектральном диапазоне образуют полиэкстремальную зависимость, представленную на рисунке 1.

Для меди при увеличении длины волны от 500 нм до 650 нм действительная часть mi уменьшается с 0.88 до 0.142 [19] более, чем в 6 раз. Для ванадия в этом спектральном диапазоне Re(mi) увеличивается всего на 8% от 3.03 до 3.3. Обращается на себя внимание большое значение действительной части комплексного показателя преломления ванадия. Для меди от 650 нм до 1000 нм Re(mi) слабо увеличивается, оставаясь менее 0.2 [19]. Для ванадия в диапазоне от 650 нм до 900 нм Re(mi) остается практически неизменной, далее несколько уменьшается от 3.3 до 2.31 на 30%. Абсолютное значение действительной части комплексного показателя преломления ванадия достаточно большое, больше, чем для благородных металлов (менее 0.2) [23-24], алюминия (менее 1) [5, 9-13, 16, 17].

Для меди при увеличении длины волны всего в два раза от 450 нм до 1000 нм мнимая часть mi увеличивается с 2.20 до 6.27 [19] почти в 3 раза. Для ванадия при увеличении длины волны более 400 нм Im(mi) несколько увеличивается, проходя через локальный максимум, далее значительно уменьшается (что совершенно не характерно для исследуемых в [5-7, 15-24] металлов). На длине волны 590 наблюдается глобальный минимум Im(mi), после чего увеличение длины волны приводит к очень медленному увеличению мнимой части mi. Так на 625 нм Im(mi)=3.5, а при 900 нм Im(mi)=3.62 (увеличивается на 3.4%). В результате, Im(mi) для длин волн 525 нм и 900 нм практически совпадает. От длины волны 900 нм до 1200 нм Im(mi) увеличивается с 3.62 до 4.94 на 27%.

Интенсивность поглощения света наночастицами определяется коэффициентом эффективности поглощения (Qa). Экспериментальное определение Qa для одного радиуса наночастицы является очень трудной задачей [5-6]. В [26] доказана корректность расчета оптических характеристик наночастиц металлов в рамках теории Ми. Поэтому рассчитаем зависимость Qa наночастиц ванадия от радиуса (R) для каждой длины волны в рамках теории Ми. Коэффициент эффективности поглощения света наночастицей рассчитывался как разность коэффициентов эффективности экстинкции и рассеяния [26,27]. Коэффициенты эффективности поглощения, экстинкции и рассеяния введены для удобства описания оптических свойств наночастицы. Они являются отношениями сечений соответствующих процессов к геометрическому сечению наночастицы. Такое определение позволяет относительно легко рассчитывать эти величины. Для каждой длины волны рассчитывались зависимости Qa(R) в диапазоне радиусов 10-200 нм. Все зависимости Qa(R) имеют абсолютный максимум (Qabs), положение которого определяется длиной волны света. Значения Qabs для каждой длины волны представлены в цифровом виде в таблице 1.

Для иллюстрации особенностей поглощения света наночастицами ванадия на рисунке 2 построена зависимость максимальных значений коэффициентов эффективности поглощения Qabs от длины волны.

Максимум коэффициента эффективности поглощения наблюдается на длине волны 590 нм, что соответствует локальному максимуму действительной части и глобальному минимуму мнимой части комплексного показателя поглощения ванадия. Однако в отличие от серебра и золота, где плазмонный пик поглощения узкий [26], в ванадии в диапазоне 400-650 нм наблюдается широкий плазмонный пик, более характерный для алюминия [5, 9-13, 16, 17, 21] и металлов подгруппы железа [6, 20, 22, 26-27]. Особенностью ванадия является практически постоянное значение Qabs в широкой спектральной области от 410 нм до 1000 нм, где этот параметр меняется от 1.1280 до 1.1921 (в пределах 5%). Для наночастиц серебра в этой спектральной области Qabs изменяется в десятки раз.

От мнимой части комплексного показателя преломления металла зависят оптические свойства образца. Величина показателя поглощения зависит от Im(mi) и длины волны по формуле α=4πIm(mi)/λ. В исследуемом спектральном диапазоне рассчитанные величины показателя поглощения ванадия представлены в столбце 5 таблицы 1. При длине волны 400 нм показатель поглощения равен 0.1203 нм-1, при увеличении длины волны до 1000 нм показатель поглощения уменьшается до 0,476 нм-1, далее слабо увеличивается, для длины волны, равной 1200 нм становится 0.517 нм-1. Проведенное исследование позволяет сделать вывод о перспективности использования наночастиц и пленок ванадия в оптических системах (например оптических детонаторах).

Автор выражает благодарность научному руководителю профессору, доктору физико-математических наук, профессору А. В. Каленскому.