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.

Рис.1. Спектральные зависимости мнимых (-Im(mi)) и действительных (Re(mi)) частей комплексного показателя преломления ванадия

Таблица 1. Длина волны излучения, комплексный показатель преломления [25], максимальное значение коэффициента эффективности поглощения, показатель поглощения.

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.

Рис. 2. Спектральная зависимость максимального значения коэффициента эффективности поглощения (Qabs) наночастиц ванадия

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.