Оптические свойства и строения оксидных стёкол окрашенных наноразмерными частицами
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
ырастающих затем до размеров коллоидных частиц. Восстановление может произойти в результате окислительно-восстановительных реакций с участием других компонентов стекла или взаимодействия с восстановителем из окружающей среды, например H2. Многие рубиновые стекла содержат SnO2, который играет роль внутреннего восстановителя. При высоких температурах, применяющихся в стекловарении, равновесие сдвинуто в сторону образования ионов Au+ и Sn2+. При снижении температуры происходит смещение равновесия в сторону восстановления золота и окисления олова согласно следующей реакции:
. (4)
Такой процесс называется наводкой, он происходит самопроизвольно при повторном нагреве изначально бесцветного стекла до соответствующей температуры. Аналогичные реакции можно использовать для получения стекол, окрашенных серебром или медью. При этом окраска равномерно распространяется по всему стеклу.
Если стекла содержат ионы золота, серебра или меди, то под действием восстановителя H2, содержащегося во внешней среде, при температурах, близких к температуре перехода в стеклообразное состояние, может произойти восстановление металлов [11]. Поскольку оно происходит в приповерхностном слое и только постепенно распространяется в глубину стекла, то окрашивается в основном поверхностный слой. Его толщина увеличивается пропорционально корню квадратному из времени, т.е. процесс окрашивания зависит от диффузии водорода. Получение других металлов в коллоидном состоянии при использовании внутреннего восстановителя весьма затруднительно, однако образование в поверхностном слое коллоидов Pb, As, Sb и Bi происходит легко с помощью восстановителя, например газообразного водорода.
1.5.2 Окрашивание полупроводниками в коллоидном состоянии
Целый ряд стекол с окраской от желтого до черного (через оранжевый и красный) могут быть получены при введении в их состав CdS, CdSe и СdTe в разных комбинациях, а также при использовании смеси CdS и ZnS. Стеклоизделия, полученные методом литья, бесцветные. Для наводки цвета их необходимо нагреть до - 550-700С. Оптические спектры этих стекол отличаются от спектров стекол, окрашенных металлами в коллоидном состоянии. При этом вместо поглощения, характерного для стекол, окрашенных коллоидными растворами золота, серебра или меди, наблюдается резкая граница пропускания в узкой видимой или ближней инфракрасной области. Эта граница пропускания связана с образованием очень мелких полупроводниковых кристаллов различных халькогенидов кадмия. Поглощение света с более высокой частотой происходит в результате абсорбции всех фотонов, энергия которых превышает запрещенную зону полупроводника. Поскольку в стекле происходит образование непрерывных твердых растворов, то регулируя ширину запрещенной зоны, можно окрашивать стекло в различные цвета. Установлено, что цвет зависит от размера кристаллов, причем с увеличением их радиуса он смещается в красную область спектра.
2. Оптические свойства стёкол
2.1 Оптические свойства наночастиц металлов
Оптические свойства наночастиц представляют особый интерес для фундаментальных и прикладных исследований. У островковых металлических пленок из золота, серебра, щелочных металлов оптические свойства определяются главным образом плазмонами, т.е. коллективными собственными колебаниями электронов металла, относительно ионного остова [12].
При возбуждении электромагнитным излучением металлических наночастиц (МНЧ) их электроны проводимости смещаются относительно положения заряженного остова. Это смещение носит коллективный характер, при котором движение электронов согласовано по фазе. В результате смещения электронов возникает сила, которая стремится возвратить электроны в положение равновесия. Величина возвращающей силы пропорциональна величине смещения, как для типичного осциллятора, поэтому можно говорить о наличии собственной частоты коллективных колебаний электронов в кластере. При совпадении собственной частоты колебаний электронов и частоты внешнего поля наблюдается резонансный эффект, который принято называть поверхностным плазмонным резонансом [13]. Возбуждение плазмонов может вызываться оптическим излучением с энергией фотонов близких к энергии плазмонов и проявляется в наличии резонансов в спектрах поглощения и рассеяния излучения. Положением этих резонансов можно манипулировать в широком диапазоне частот путем выбора различных металлов, созданием частиц определенного размера и формы на различных диэлектрических подложках или в матрицах, что открывает возможности для создания материалов с особыми, заранее определенными линейными или нелинейными оптическими свойствами. Возбуждение плазмонов сопровождается многократным увеличением электрического поля в частицах и вне их в области порядка их размера. В соответствии с классической оптикой спектр поглощения коллоидного раствора не зависит от размера частиц, когда размер кластера намного, меньше длины волны падающего света: D/? 300 нм, поглощение среды не зависит от размера наночастиц, а экспериментально наблюдаемое поглощение в системах металлических наночастиц приписывают проявлению "размерного эффекта, связанного с резонансным поглощением плазмонов [14].
Для наночастиц металла, равномерно распределенных в стеклянной матрице, эффективная диэлектрическая постоянная может быть рассчитана в