Диссертация (1145499), страница 39
Текст из файла (страница 39)
Использование нанопористого анодированного оксида алюминия вкачествеподложекдлялазерно-индуцированного279осажденияможетрассматриватьсякакальтернативатрадиционнымметодикамфункционализации НПАОА.Лазерно-индуцированноеосаждениенаночастицнаповерхностьобразцов нанопористого анодированного оксида алюминия выполнялосьаналогично описанным ранее процедурам: подложка помещалась на днокюветыипокрываласьрастворомсупрамолекуларногометаллоорганического комплекса C23Ag в дихлорэтане (4мг/мл), времявоздействия лазерного излучения (He-Cd лазер, Р = 10 мВт) варьировалось вшироком диапазоне – от 10 до 80 мин.
Лазерно-индуцированное осаждениенаночастицпроводилосьнамембранусвысокимсоотношениемдлина/диаметр пор (10 мкм/300 нм). После проведения процесса лазерноиндуцированногоосаждениямембраныпромывалисьацетономивысушивались с течение 30 мин. На рисунке 6.17 представлены изображенияСЭМ исходного образца НПАОА, а также нанопористых мембран послелазерно-индуцированного осаждения наночастиц в течение 10, 30 и 60 мин.соответственно.Рисунок 6.17 Изображения СЭМ (а) исходного образца НПАОА, (б)-(d) послелазерно-индуцированного осаждения в течение 10, 30 и 60 мин.соотвественно.280Как видно из рисунка 5.17 во всех случаях наблюдается формированиенаночастиц на поверхности образцов НПАОА, увеличение временилазерного воздействия ведет к увеличению количества и размера осаждаемыхнаночастиц.
Кроме того было обнаружено, что формирование наночастицпроисходит не только на поверхности мембран, но и внутри пор, при этомнаблюдается равномерное распределение НЧ по длине пор (рис. 6.18а).Согласно данным энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии,полученные наночастицы аналогичны по составу НЧ, осажденным наповерхности аморфных и поликристаллических 2D подложек и состоят изОтсчетыуглерода, золота и серебра (рис.
6.18б).Энергия (кэВ)Рисунок 6.18 (а) Изображение СЭМ сечения образца НПАОА после лазерноиндуцированного осаждения наночастиц, (б) EDX анализ наночастиц,осажденных на поверхности образца НПАОА.После проведения процесса лазерно-индуцированного осаждения наобразцы НПАОА с гибридными Au-Ag/C наночастицами наносилисьэлектрическиеактивностьAu/Niконтакты,полученныхструктуриисследоваласьдляреакцийэлектрохимическаяокисленияглюкозы.Исследования проводились в университете Эрланген-Нюрнберг, Германия внаучной группе проф. Жульена Бахмана.281Для образцов НПАОА с осажденными НЧ наблюдаются выраженныепики, связанные с окислением Ag (в области около +0.2 В) и основнымпиком в диапазоне от +0.4 В до +0.6 В, связанным с электрокаталитическимокислением глюкозы (на тестовой вольтамперограмме, полученной вотсутствие глюкозы указанные пики отсутствуют рис 6.20 а).
Пиковыеплотности тока составляют единицы мА/см2 и растут с увеличением временилазерно-индуцированного осаждения, что связано увеличением количестваосажденных наночастиц. Однако при времени лазерно-индуцированногоосаждения более 70 мин происходит зарастание пор мембраны НПАОА иформирование однородной поверхности из сильно агломерированныхнаночастиц, что приводит к резкому уменьшению удельной площадиповерхностиобразцаи,какрезультат,падениюэффективностиJ (мА/см2)электрохимической реакции.E (В)Рисунок 6.19 Циклические вольтамперограммы, измеренные наобразцах НПАОА с Au-Ag/C НЧ, осажденными в течение 30 – 70 мин, вводных растворах глюкозы 5мг в 0.1М NaOH (pH раствора 9.5).282-Zimag (кОм)J (мА/см2)E (В)Zreal (кОм)2Рисунок 6.20 (а) Циклические вольтамперограммы, измеренные наобразце НПАОА с Au-Ag/C НЧ, осажденными в течение 60 мин, длящелочного растрора, содержащего глюкозу (голубая линия) и безглюкозы (черная линия), (б) электрохимический импеданс, измеренныйдля образцов НПАОА с Au-Ag/C НЧ, осажденными в течение 50, 60 и70 мин, при +0.5В в щелочном растворе глюкозы. Представленные результаты свидетельствуют о том, что лазерноиндуцированное осаждение позволяет создавать Au-Ag/C наночастицы наповерхностинанопористогоанодированногооксидаалюминия,представляющего собой систему прямых параллельных цилиндрических порс хорошо контролируемыми длиной и диаметром.
Полученные структурыдемонстрируют высокую эффективность с точки зрения электрохимическогоокисления глюкозы, что может представлять интерес при создании прямыхтопливных элементов, способных преобразовывать органические отходы вэлектрическуюэнергию[332–334].Крометоготакиеособенностиполученных структур как малые размеры и при этом их высокая удельнаяплощадь поверхности могут представлять интерес для так называемыхимплантируемых топливных элементов, которые работают на компонентахкрови [335–337].2836.6 Оптические свойства гибридных кристаллических нанопластинВ настоящее время, низкоразмерные материалы на основе углерода, вчастностиграфенаигибридныхматериаловнаосновеграфена,рассматриваются, как универсальные материалы для решения широкогокруга задач в области оптики и фотоники, включая приложения в электрооптической модуляции, квантовой плазмонике, спектральной фотометрии ии.д.
[338–342].Эти широкие области применения графена определяется его особымисвойствами:динамикойэлектронногоиносителейиз-заэлектрон-фононногосверхбыстроговзаимодействия,электроноптическойнелинейностью со сверхбыстрым временем отклика для широкополосногоспектрального рабочего диапазона. Кроме того, для графена характерны инекоторые нелинейные оптические (НЛО) эффекты, включая насыщающеесяпоглощение,двухфотонноепоглощение,обратноенасыщающеесяпоглощение.
Результаты интенсивных научных исследований графенапривели к разработке интересных промышленных приложений, чтопредопределяет большой интерес к данному объекту исследований вближайшие десятилетия.Крометого,гибридныематериалы,состоящиеизграфена/многослойного графена и наноструктур, обладающих плазмоннымисвойствами, представляютеще большийинтерес,посколькутонкаянастройка физико-химических свойств может быть достигнута путемнаправленной модификации химической структуры [343]. Именно поэтомубольшое количество последних публикаций относятся к созданию иисследованию нового класса гибридных материалов на основе графена сблагородными металлами, такими как золото [344,345], платина [346],палладиум [347] и серебро [348], а также такими металлами как железо, медь,олово,кобальтимультиметаллическимисистемами[349].Областьприменения наногибридных материалов на основе графена с металлическиминановключениями необычайно широка, так как подобные материалы284демонстрируют уникальные свойства и могут быть использованы длясверхчувствительного поверхностно-усиленного комбинационного рассеяниясвета или в качестве электрохимических датчиков, также могут бытьиспользованыдляэлектрохимическойрешениязадачактивностивиэлектрокатализевысокой(благодаряэлектрокаталитическойактивности в отношении реакций окисления биомолекул), эффективныхфотокатализаторов, высокочастотных генераторов, цифровых/аналоговыхпреобразователей, фотоэлектрических устройств и так далее [350,351].Следует отметить, что свойства подобных структур определяютсяисключительнометаллическойфазой,углероднаяфазаиграетрольпассивной матрицы-основы для нанесения наночастиц металла.
При этомогромный интерес как с точки зрения фундаментальной науки, так и с точкизренияпрактическогопримененияпредставляетгибридныйметалл/углеродный наноматериал в котором углеродная фаза проявляет своиспецифические свойства.Полученные привыполнениинастоящейработы нанопластиныграфеноподобного многослойного кристаллического гидрогенизированогоуглерода, интеркалированного биметаллическими нанокластерами, являютсяуникальными структурами как в силу особой аллотропной модификацииуглеродной фазы, так и благодаря внедрению металлических плазмонныхнаночастицвмежслоевоепространство.Подобнаякомбинациякристаллической углеродной фазы и металлических кластеров обеспечивает«объемный эффект» и новые свойства гибридного материала в целом вотличие от гибридных графен/металлических структур для которыххарактерноповерхностноедекорированиеграфенаметаллическимичастицами.Предварительныеоптическойисследования,поляризационнойпроведенныемикроскопии,сиспользованиемпродемонстрировали,чтополученные гибридные Au-Ag/C планарные наноструктуры обладаютдвулучепреломлением.Нарисунке2856.21представленыизображениянанопластин, полученных с использованием поляризационного оптическогомикроскопа.
Направление поляризации света показано стрелкой. Как видноиз рисунка, при повороте нанопластины относительно поляризованногооптического излучения наблюдается как погасание, так и просветлениеисследуемого объекта, что свидетельствует о его оптической анизотропии(двулучепреломлении),крометогопространственнаяоднородностьизображения на стадии просветления свидетельствует в пользу того, чтоисследуемые гибридные нанопластины являются монокристаллическимиобъектами.Рисунок 6.21 Кросс-поляризационная оптическая микроскопия гибридныхAu-Ag/ С планарных наноструктурДляоценкивеличиныдвулучепреломлениягибридныхнанопластиниспользовалась установка схема которой представлена на рисунке 6.22 (а),исследования проводились в институте Макса Планка науки о свете(департамент проф.
Герда Лейкса). Исследуемая нанопластина помещаласьна покровное стекло микроскопа толщиной 170 мкм, на объект направлялсялинейно-поляризованный свет с длиной волны 530 нм. Оптическоеизлучение фокусировалось на поверхности нанопластины с использованиеммикрообъектива с числовой апертурой 0.5 (диаметр пятна фокусировкисоставлял 400 нм на уровне FWHM), прошедшее образец излучениерегистрировалось с помощью фотодиода. Изображение нанопластины,полученное с использованием описанной схемы представлено на рисунке2866.22б.
Пропускание исследуемого объекта измерялось для различныхнаправлений линейно-поляризованного света в диапазоне 0° – 157.5° с шагом22.5°. Образец смещался перпендикулярно оптической оси с шагом 50 нм,сканирование проводилось вдоль штриховых белых линий (рис. 6.22б),расстояние между областями сканирования составляло 500 нм.123456абРисунок 6.22 (а) блок-схема установки для исследования оптических свойствнанообъектов. 1 – поляризованное оптическое излучение, 2 – микрообъектив,3 – исследуемый объект, 4 – трехкоординатный пьезотранслятор, 5 –микрообъектив, 6 - детектор (б) пространственное распределениеинтенсивности света, прошедшего через исследуемую гибриднуюнанопластину.На основе полученных данных производилась оценка величиныдвулучепреломления с использованием поляризационной матрицы Мюллера,котораянаиболееадекватноизсуществующихмоделейописываетпреобразование поляризации света оптическими элементами [352].
Подход287основан на измерении пропускания для различных направлений поляризациисвета и может быть адаптирован для изучения наноразмерных объектов[353,354].Согласнопроведеннымрасчетамвеличинадвулучепреломлениягибридных нанопластин составляет 0.102±0.004. Отметим, что графендемонстрирует только наведенное двулучепреломление при приложениивнешнего электрического поля [355–357]. Значения двулучепреломления длябольшинства известных анизотропных кристаллов представлены в таблице6.2. Следует отметить, что селенид галлия и теллур, демонстрирующие болеевысокиезначениядвулучепреломленияотносятсякинфракраснымматериалам и непрозрачны в видимом диапазоне.Таблица 6.2 Значения двулучепреломления для различных кристалловкристаллnКварц (SiO2)0,009Жидкие кристаллы0.05Исландский шпат (CaCO3)0,172Рутил (ТiO2)0.294Селенид галлия (Ga2Se, GaSe, Ga2Se3)0.28-0,35Кристаллический теллур Te1.4Полученные результаты свидетельствуют о высокой анизотропииструктуры и свойств гибридных Au-Ag@C графеноподобных нанопластин,кроме того обнаруженное большое значение двулучепреломления можетсвидетельствовать не только об структурной анизотропии углеродной фазы,ноивлиянииметаллическихнанокластеровнавеличинудвулучепреломления.Кроме того, под воздействием сфокусированного ионного пучка (СИП)в результате локальной резки/модификации гибридных металл/углеродныхпланарных наноструктур была продемонстрирована возможность создания288субволновыхэлементовметаповерхностей,т.е.(метаэлементов),матаматериаловиновогомногокомпонентныхтипа,позволяющихосуществлять управление светом в субволновом масштабе, что представляетинтерес для применения в микро- и нанофотонике.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
