sintez-i-primenenie-nanoprovodnikov-na-osnove-zolota (781562), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Рисунок 3 – Этапы образования наноструктур золота

Чтобы расшифровать механизм, ответственный за образование волнистых нанопроволок, собрали образцы за разное время для просвечивающей электронной микроскопии (Рис. 3). На начальной стадии в растворе были найдены только сферические частицы с диаметром 10нм (рис.3А), указывающие на превращение Au^I в Au и последующее образование наночастиц. После того, как реакция продолжалась в течение 15 мин, в растворе были обнаружены наночастицы с большим диаметром (рис. 3В), равным 35нм, которые формируются путем роста маленьких наночастиц и их слияния с целью уменьшения поверхностной энергии. Затем, когда время реакции достигает 25-35мин, большие частицы объединяются в короткие дорожки и похожие на ожерелье наноструктуры (рис. 3С, D). Интересно, что наностержни были более или менее выровнены вдоль длинной оси нанопроволоки (рис. 3D), предполагая возможное вовлечение эффекта шаблона, полученного с помощью CTAB молекул. Эти промежуточные структуры продолжают расти в длину (рис. 2Е), и коричневый, похожий на хлопок материал появляется на границе раздела воздух/вода протекания реакции в течение 55мин, на что указывает образование золотой волнистой нанопроволоки. Когда время реакции достигает 90мин, получается золотая волнистая нанопроволока с большим соотношением длины к диаметру. В этот момент, на Au нанопроводах можно увидеть большое число выпуклых/вогнутых областей и перегибов. Движимые разницей в химических потенциалах между выпуклыми и вогнутыми участками, атомы Au могут диффундировать вдоль единичной нанопроволоки для создания гладких поверхностей конечных нанопроводов. Тем не менее, перегибы еще остаются, делая провода «волнистыми» по внешнему виду.

Наблюдения с помощью просвечивающего электронного микроскопа показали, что частицы, связанные со CTAB шаблонами, играют роль в образовании волнистых нанопроводов. Этот механизм был подтвержден тем фактором, что диаметр промежуточной, похожей на ожерелье наноструктуры был таким же, как и диаметр укрупненных наночастиц, образованных на ранней стадии синтеза. В этом случае, соединение двух наночастиц с одинаковой ориентацией более предпочтительно в плане уменьшения энергии. Кроме того, границы проводников также наблюдались в полученной нанопроволоке, предположительно из-за участия Au наночастиц с различной ориентацией. Холодная сварка также может быть вовлечена в образование Au волнистых наночастиц. Это может происходить там, где две соседних наноструктуры перекрываются или физически контактируют друг с другом. Спонтанную сварку между двумя смежными Au наноструктурами можно отнести к поверхностной диффузии атомов золота. Благодаря относительно низкому энергетическому барьеру, Au атомы были способны к быстрой диффузии на поверхности Au наноструктуры даже при комнатной температуре, приводя к успешной сварке. Небольшое уменьшение диаметра относительно промежуточной наноструктуры наблюдается для результирующей волнистой нанопроволоки, что также может быть связано с поверхностной диффузией и удлинением процесса.

Au имеет большую плотность, чем вода, но Au волнистые нанопроволоки спонтанно накапливаются на границе раздела вода/воздух во время синтеза, который отличается от изготовления прямой ультратонкой нанопроволоки золота в объеме раствора в присутствии небольшого количества молекул ПАВ.

1. Идеальные инфракрасные поглотители на основе нанопроволоки в полостях метаматериала [3]

Идеальные инфракрасные поглотители на основе золотой проволоки в матрице полостей метаматериала сделаны из Au нанопроводов, встроенных в «хозяина» из оксида алюминия, имеют эффективную диэлектрическую проницаемость с хорошей анизотропностью, которая поддерживает полости резонансных мод одновременно в электрическом и магнитном диполях. Импеданс мод резонатора соответствует падающей плоской волне в свободном пространстве, что приводит к почти идеальному поглощению света. Оптическая энергия эффективно преобразуется в тепло, поэтому локальная температура поглотителя будет увеличиваться. Результаты моделирования показывают, что спроектированный поглотитель из метаматериала является поляризационно-нечувствительным и всенаправленным для углов падения.

Метаматериалы из искусственно сконструированных композитов могут проявлять интересные электромагнитные свойства, такие как отрицательное преломление, невидимую маскировку, близкую к нулю проницаемость и неограниченные полости. Макроскопические свойства метаматериалов могут быть гибко адаптированы путем создания мета-атомов. Как правило, желательно сокращение рассеивания энергии в метаматериалах для повышения их оптической производительности. Однако потери энергии в метаматериалах также могут быть использованы для достижения идеального поглощения света. После демонстрации первого поглотителя из метаматериала для СВЧ, были спроектированы и продемонстрированы поглотители, работающие на более высоких частотах, например, в терагерцовом и инфракрасном диапазонах, и подающие большие надежды в поглощении света, тепловом обнаружении и преобразователях электромагнитной энергии.

Это новая конструкция поглотителя из метаматериала, основанного на полостях из предложенного метаматериала с нанопроводами (рис. 4).

Рисунок 4 – Схематическое изображение полостей матрицы метаматериала, заполненных нанопроводами. Каждая полость состоит из 36 золотых нанопроводов, помещенных в глинозем (зеленый цвет).

Периодические полости в метаматериале из нанопроводов с периодом P=600нм заземленным золотой пленкой толщиной 150нм на стеклянной подложке. В каждой полости располагаются 6*6 столбиков из золотой проволоки с радиусом r₀ и расстоянием между центрами D=60нм, строенные в глиноземного хозяина кубической формы с длиной стороны L=360нм и высотой h=130нм. Конечно-элементный способ моделирования выполняется для получения спектра отображения.

1. Золотые нанопровода, способные к плазмонике в оптических волокнах [4]

Размещение оптических волокон в микроструктурах оптических волокон создает интеграцию плазмоники и оптических волокон, приводящую к новому виду плазмонного возбуждения в микроскопии ближнего поля.

Цилиндрические нанофотонные устройства представляют собой новый вид интегрированных компонентов, который может преодолеть несколько ограничений, с которыми сталкиваются их плоские аналоги. Ограничения, вносимые плоскими устройствами, включают значительные потери и маленькое отношение длины к диаметру. Размеры цилиндрических устройств, которые могут быть непосредственно интегрированы в опто-волоконные схемы, могут также выполнять функцию плоского волоконного устройства в одном узле – в одном из самых тяжелых узких мест сети устаревшей системы. Подход к решению таких проблем и реализации новых функциональных волокон основан на действии давления при заполнении расплавом (pressure-assisted melt-filling (PAMF)) пористых фотонных кристаллических волокон из диоксида кремния (holey silica photonic crystal fibers (PCFs)) и капилляров. Эта методика дает пористым кремниевым оптическим волокнам новые функциональные возможности и может позволить применение оптического волокна в таких ранее недоступных областях как плазмоника.

Методика изготовления основана на использовании вдавливания расплавленных материалов в кремниевые матрицы при очень большом внешнем давлении. Единственным условием для заполнения расплавом при воздействии давления заключается в том, что температура плавления материала для заполнения должна быть ниже, чем температура размягчения кремния (1400°С). Поэтому данная методика позволяет сочетать большое разнообразие материалов с диоксидом кремния по сравнению с вытягиванием волокна или экструзией, представляя уникальный подход к изменению свойств оптических волокон. Несоответствие коэффициента термического расширения при диаметрах отверстий ниже 10мкм – серьезная проблема при вытягивании волокон – не имеет значения в рамках этой методики.

В дополнение к заполнению металлами, процесс был использован для заполнения полупроводников и аморфных материалов. Например, высоко нелинейные волноводы из халькогенида кремния были созданы путем заполнения стеклом из трисульфида мышьяка капилляров из кремнезема с диаметром менее 1мкм. При воздействии ультракоротких оптических импульсов (с центральной длиной волны 2мкм), когерентный суперконтинуум в середине инфракрасного домена генерируется, который простирается до 4мкм. Эта техника также позволяет производство герметизированных обратных конических структур, фотонными наноостриями, которые могут повысить в соединении КПД субволновых волноводов с коэффициентом около 60.

Предлагаемый метод включает изготовление плазмонной нанопроволоки, изготовленной из золота с оптическими волокнами, приводящему к новому классу плазмонных устройств в виде волокон. Золото не взаимодействует с оксидом кремния во время изготовления длинных плазмонных нанопроводов с отношением длины к диаметру более 10⁴. Фотонные кристаллические волокна, которые включают золотые плазмонные нанопровода, представляют собой важный тип нанофотонных волокон. Совместный отклик группы электронов в металле приводит к локализованному плазменному резонансу или распространению плазмониевых мод. Плазмониевые возбуждения в металлических плазмониевых нанопроводах могут быть описаны как распространяющиеся плоские плазмоны, спирально закручивающиеся вокруг проволоки. В отличие от плоской структуры типа пленки, плазмониевые нанопровода показывают распространяющиеся плазмонные моды высшего порядка с преломлением индекса дисперсии, частично падающего ниже индекса оболочки. Эта функция необходима для синхронизации этих плазмонных мод в режиме сердечника фотонные кристаллических волокон.

Рисунок 5 – Схематическое изображение спирали плоской поверхности плазмона на металлическом проводе с одним слоем изоляции

При исследовании матрицы из более чем 100 металлических нанопроводов внутри плазмониевых фотонных кристаллических волокон, исследователи наблюдали плазмонный тип гибридизации. Эта гибридизация, наблюдаемая как образование суперплазмониевых мод, особенно выражена в первом кольце матрицы нанопроводов, при котором получается соединение квадриупольных плазмонов. С использованием оригинального метода калибровки наконечника, был измерен локальный вектор электрического поля (то есть наноразмерная поляризация) с разрешением более 60нм. Это является первым примером измерений поперечного ближнего поля шаблона и соответствующего поля ближней поляризации в режиме распространяющихся плазмонов.

Из-за пластичности золота, расщепленные волокна с включенными нанотрубками приводят к образованию маленьких золотых наконечников на месте расщепления. Они могут быть настолько узкими, что имеют размер их концов составляет 10нм, определяя небольшой плазмонный резонатор. Эти наконечники интегрировали на конец многорежимного многомодового волокна с целью интеграции волокон в ближнее поле зондов. В этих зонах, входящий свет возбуждает особые резонансы внутри плазмонного резонатора. Свет от этих резонаторов рассеивается в окружающий конус из кремнезема, который поддерживает золотые нанопроводки. Этот свет затем объединяют в многомодовые волокна и руководствуются им при анализе инструмента. Используя этот зонд, успешно измеряли исчезающее ближнее поле стоящей волны в окрестности поверхности призмы.

Рисунок 6 – а) Скан ближнего поля торцев матрицы нанопроводов. Образование суперплазмониевых режима возникает, когда свет с длиной волны близкой к резонансной, в связанных системах направляется в дефектное ядро массива. б) Волоконно- интегрированный зонд ближнего поля с наноразмерным плазмониевым резонатором на конце.

Таким образом, подход с использованием PAMF представляет собой новый путь для интеграции сложных материалов в оптическое волокно. В оптическое волокно были включены нанопроволоки из благородных металлов, которые показывали возбуждение плоских плазмонов и плазмонной супермод, состоящей более чем из 100 индивидуальных плазмонов. Более того, был внедрен новейший вид зонда ближнего поля, основанный на наноразмерном плазмониевом резонаторе в конце функционализированного многомодового волокна.

Заключение

В реферате были рассмотрены методы получения нанопроводников из золота, а также области их применения.

Характеристики

Список файлов реферата