14.6. Нанокластеры в оптическом материаловедении

Одним из примеров использования нанотехнологий является цветное витражное стекло средневековых соборов. Это стекло представляет собой аморфную прозрачную массу с включениями в виде наноразмерных металлических частиц. Стёкла, содержащие небольшое количество диспергированных нанокластеров, демонстрируют разнообразие необычных оптических свойств с широкими возможностями применения. Длина волны максимального оптического поглощения, определяющая цвет стекла, зависит от размера и типа металлических частиц. На рис. 14.13 представлен пример влияния размера наночастиц Au на оптический спектр поглощения кварцевого стекла в видимом диапазоне. Видно, что при уменьшении размеров наночастиц с 80 до 20 нм пик оптического поглощения смещается в область более коротких длин волн. Причиной описанного поведения является плазменное поглощение света в металлических наночастицах.

При очень высоких частотах электроны проводимости в металлах ведут себя как плазма – электрически нейтральный ионизированный газ, в котором отрицательными зарядами являются подвижные электроны, а положительный заряд остается на неподвижных атомах решетки. Если кластеры имеют размеры меньше длины волны падающего света и могут рассматриваться как невзаимодействующие друг с другом, то электромагнитная волна вызывает колебания электронной плазмы, приводящие к ее поглощению.

Рис. 14.13. Влияние размера наночастиц Аu на оптический

спектр поглощения кварцевого стекла

Для вычисления зависимости коэффициента поглощения от длины волны можно использовать теорию, развитую Ми (Mie). Коэффициент поглощения α маленькой сферической частицы металла, находящейся в непоглощающей среде, задается как

α = (18πN_sVn₀ ε₂³/λ)/[ε₁+2n₀²]², (14.2)

где N_s - концентрация сфер объемом V; ε₁ ,ε₂ – действительная и мнимая части диэлектрической проницаемости сфер; n₀ – показатель преломления непоглощающей среды; λ – длина падающего света.

Другим важным свойством композитных металлизированных стекол является их оптическая нелинейность, т.е. зависимость показателей преломления от интенсивности падающего света. Такие стекла имеют существенную восприимчивость третьего порядка, что приводит к следующему виду зависимости показателя преломления n от интенсивности падающего света I: n₁ = n₀+n₂I. Нелинейные оптические эффекты могут использоваться при создании оптических ключей, которые могли бы стать основными элементами фотонного компьютера. Когда размеры частиц уменьшаются до 10 нм, то начинают играть роль эффекты квантовой локализации, которые существенно изменяют оптические характеристики материала.

Самый простой метод получения композитных металлизированных стекол состоит в добавлении металлических частиц к расплаву компонентов стекла. Однако при этом сложно управлять свойствами стекла, зависящими от степени агрегатированности частиц. Поэтому были разработаны более контролируемые процессы, такие как ионная имплантация. При имплантации стекло обрабатывается ионным пучком, состоящим из атомов имплантируемого металла при энергиях от 10 кэВ до 10 МэВ.

Для внедрения металлических частиц в стекло используется также ионный обмен. На рис. 14.14 показана экспериментальная установка для введения частиц серебра в стекло путем ионного обмена. Одновалентные приповерхностные атомы, например, Na⁺, присутствующий в приповерхностных слоях во всех стеклах, замещается другими ионами, например, Ag⁺. Для этого стеклянная основа помещается в расплав соли, находящийся между электродами, к которым приложено напряжение указанной на рисунке полярности. Ионы Na⁺ в стекле диффундируют к отрицательному

Рис. 14.14. Схема ионно-обменной установки

электроду, а ионы серебра диффундируют из серебросодержащего электролита на поверхность стекла.