Спектральні і нелінійно-оптичні властивості моно- і багатошарових плівок зіркоподібних наночастинок, посаджених на скляні підкладинки

Досліджено спектральні та нелінійно-оптичні властивості моно- і багатошарових плівок на основі золотих багатопроменевих нанозірок. Показано, що положення максимуму локалізованого плазмонного резонансу (ЛПР) змінюється в інтервалі 530–570 нм, залежно від кількости циклів нарощування моношарових пліво...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2017
Автори:	Бродин, М.С., Руденко, В.І., Ляховецький, В.Р., Бейник, Т.Г., Матвєєвська, Н.А.
Формат:	Стаття
Мова:	Ukrainian
Опубліковано:	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України 2017
Назва видання:	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/133489
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Спектральні і нелінійно-оптичні властивості моно- і багатошарових плівок зіркоподібних наночастинок, посаджених на скляні підкладинки / М.С. Бродин, В.І. Руденко, В.Р. Ляховецький, Т.Г. Бейник, Н.А. Матвєєвська // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2017. — Т. 15, № 3. — С. 431-446. — Бібліогр.: 15 назв. — укр.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-133489
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1334892018-05-30T03:02:55Z Спектральні і нелінійно-оптичні властивості моно- і багатошарових плівок зіркоподібних наночастинок, посаджених на скляні підкладинки Бродин, М.С. Руденко, В.І. Ляховецький, В.Р. Бейник, Т.Г. Матвєєвська, Н.А. Досліджено спектральні та нелінійно-оптичні властивості моно- і багатошарових плівок на основі золотих багатопроменевих нанозірок. Показано, що положення максимуму локалізованого плазмонного резонансу (ЛПР) змінюється в інтервалі 530–570 нм, залежно від кількости циклів нарощування моношарових плівок. Виявлено, що для багатошарових плівок смуга ЛПР є розширеною і зміщеною у довгохвильовий бік, порівняно з моношаровими плівками. Досліджено кубічні нелінійно-оптичні властивості моношарових плівок. Одержано достатньо високі значення коефіцієнтів оптичної кубічної сприйнятливости, що свідчить про перспективність використання таких структур у приладах сучасної оптоелектроніки. Исследованы спектральные и нелинейно-оптические свойства моно- и многослойных плёнок на основе золотых многолучевых нанозвёзд. Показано, что положение максимума локализованного плазмонного резонанса (ЛПР) изменяется в интервале 530–570 нм в зависимости от количества циклов наращивания монослойных плёнок. Обнаружено, что для многослойных плёнок полоса ЛПР уширена и смещена в длинноволновую сторону по сравнению с монослойными плёнками. Исследованы кубические нелинейно-оптические свойства монослойных плёнок. Получены достаточно высокие значения коэффициентов оптической кубической восприимчивости, что свидетельствует о перспективности использования таких структур в приборах современной оптоэлектроники. Spectral and nonlinear optical properties of mono- and multilayer films based on the gold multiprong nanostars are studied. As shown, the position of localized plasmon resonance (LPR) maximum varies in the range of 530–570 nm depending on the number of building-up cycles of monolayer films. As revealed for the multilayer films, the LPR band is expanded and shifted toward the long-wavelength part compared to monolayer films. Cubic nonlinear optical properties of monolayer films are also investigated. The obtained relatively high coefficients of optical cubic susceptibility indicate the availability of using such structures in modern optoelectronics devices. 2017 Article Спектральні і нелінійно-оптичні властивості моно- і багатошарових плівок зіркоподібних наночастинок, посаджених на скляні підкладинки / М.С. Бродин, В.І. Руденко, В.Р. Ляховецький, Т.Г. Бейник, Н.А. Матвєєвська // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2017. — Т. 15, № 3. — С. 431-446. — Бібліогр.: 15 назв. — укр. 1816-5230 PACS: 42.65.-k, 42.70.Mp, 61.46.-w, 68.37.-d, 68.65.Ac, 73.20.Mf, 78.20.Ci, 78.67.Sc http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/133489 uk Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
description	Досліджено спектральні та нелінійно-оптичні властивості моно- і багатошарових плівок на основі золотих багатопроменевих нанозірок. Показано, що положення максимуму локалізованого плазмонного резонансу (ЛПР) змінюється в інтервалі 530–570 нм, залежно від кількости циклів нарощування моношарових плівок. Виявлено, що для багатошарових плівок смуга ЛПР є розширеною і зміщеною у довгохвильовий бік, порівняно з моношаровими плівками. Досліджено кубічні нелінійно-оптичні властивості моношарових плівок. Одержано достатньо високі значення коефіцієнтів оптичної кубічної сприйнятливости, що свідчить про перспективність використання таких структур у приладах сучасної оптоелектроніки.
format	Article
author	Бродин, М.С. Руденко, В.І. Ляховецький, В.Р. Бейник, Т.Г. Матвєєвська, Н.А.
spellingShingle	Бродин, М.С. Руденко, В.І. Ляховецький, В.Р. Бейник, Т.Г. Матвєєвська, Н.А. Спектральні і нелінійно-оптичні властивості моно- і багатошарових плівок зіркоподібних наночастинок, посаджених на скляні підкладинки Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
author_facet	Бродин, М.С. Руденко, В.І. Ляховецький, В.Р. Бейник, Т.Г. Матвєєвська, Н.А.
author_sort	Бродин, М.С.
title	Спектральні і нелінійно-оптичні властивості моно- і багатошарових плівок зіркоподібних наночастинок, посаджених на скляні підкладинки
title_short	Спектральні і нелінійно-оптичні властивості моно- і багатошарових плівок зіркоподібних наночастинок, посаджених на скляні підкладинки
title_full	Спектральні і нелінійно-оптичні властивості моно- і багатошарових плівок зіркоподібних наночастинок, посаджених на скляні підкладинки
title_fullStr	Спектральні і нелінійно-оптичні властивості моно- і багатошарових плівок зіркоподібних наночастинок, посаджених на скляні підкладинки
title_full_unstemmed	Спектральні і нелінійно-оптичні властивості моно- і багатошарових плівок зіркоподібних наночастинок, посаджених на скляні підкладинки
title_sort	спектральні і нелінійно-оптичні властивості моно- і багатошарових плівок зіркоподібних наночастинок, посаджених на скляні підкладинки
publisher	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
publishDate	2017
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/133489
citation_txt	Спектральні і нелінійно-оптичні властивості моно- і багатошарових плівок зіркоподібних наночастинок, посаджених на скляні підкладинки / М.С. Бродин, В.І. Руденко, В.Р. Ляховецький, Т.Г. Бейник, Н.А. Матвєєвська // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2017. — Т. 15, № 3. — С. 431-446. — Бібліогр.: 15 назв. — укр.
series	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
work_keys_str_mv	AT brodinms spektralʹníínelíníjnooptičnívlastivostímonoíbagatošarovihplívokzírkopodíbnihnanočastinokposadženihnasklânípídkladinki AT rudenkoví spektralʹníínelíníjnooptičnívlastivostímonoíbagatošarovihplívokzírkopodíbnihnanočastinokposadženihnasklânípídkladinki AT lâhovecʹkijvr spektralʹníínelíníjnooptičnívlastivostímonoíbagatošarovihplívokzírkopodíbnihnanočastinokposadženihnasklânípídkladinki AT bejniktg spektralʹníínelíníjnooptičnívlastivostímonoíbagatošarovihplívokzírkopodíbnihnanočastinokposadženihnasklânípídkladinki AT matvêêvsʹkana spektralʹníínelíníjnooptičnívlastivostímonoíbagatošarovihplívokzírkopodíbnihnanočastinokposadženihnasklânípídkladinki
first_indexed	2025-07-09T19:03:41Z
last_indexed	2025-07-09T19:03:41Z
_version_	1837197242403913728
fulltext	431 PACS numbers: 42.65.-k, 42.70.Mp, 61.46.-w, 68.37.-d, 68.65.Ac, 73.20.Mf, 78.20.Ci, 78.67.Sc Спектральні і нелінійно-оптичні властивості моно- і багатошарових плівок зіркоподібних наночастинок, посаджених на скляні підкладинки М. С. Бродин1, В. І. Руденко1, В. Р. Ляховецький1, Т. Г. Бейник2, Н. А. Матвєєвська2 1Інститут фізики НАН України, просп. Науки, 46, 03028 Київ, Україна 2Інститут монокристалів НАН України, просп. Науки, 60, 61001 Харків, Україна Досліджено спектральні та нелінійно-оптичні властивості моно- і бага- тошарових плівок на основі золотих багатопроменевих нанозірок. По- казано, що положення максимуму локалізованого плазмонного резона- нсу (ЛПР) змінюється в інтервалі 530–570 нм, залежно від кількости циклів нарощування моношарових плівок. Виявлено, що для багато- шарових плівок смуга ЛПР є розширеною і зміщеною у довгохвильо- вий бік, порівняно з моношаровими плівками. Досліджено кубічні не- лінійно-оптичні властивості моношарових плівок. Одержано достатньо високі значення коефіцієнтів оптичної кубічної сприйнятливости, що свідчить про перспективність використання таких структур у приладах сучасної оптоелектроніки. Spectral and nonlinear optical properties of mono- and multilayer films based on the gold multiprong nanostars are studied. As shown, the posi- tion of localized plasmon resonance (LPR) maximum varies in the range of 530–570 nm depending on the number of building-up cycles of monolayer films. As revealed for the multilayer films, the LPR band is expanded and shifted toward the long-wavelength part compared to monolayer films. Cubic nonlinear optical properties of monolayer films are also investigat- ed. The obtained relatively high coefficients of optical cubic susceptibility indicate the availability of using such structures in modern optoelectron- ics devices. Исследованы спектральные и нелинейно-оптические свойства моно- и многослойных плёнок на основе золотых многолучевых нанозвёзд. По- Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Nanosistemi, Nanomateriali, Nanotehnologii 2017, т. 15, № 3, сс. 431–446  2017 ІМÔ (Інститут металофізики ім. Г. В. Êурдюмова НАН Óкраїни) Надруковано в Óкраїні. Ôотокопіювання дозволено тільки відповідно до ліцензії 432 М. С. БРОДИН, В. І. РÓДЕНÊО, В. Р. ЛЯХОВЕЦЬÊИЙ та ін. казано, что положение максимума локализованного плазмонного резо- нанса (ЛПР) изменяется в интервале 530–570 нм в зависимости от ко- личества циклов наращивания монослойных плёнок. Обнаружено, что для многослойных плёнок полоса ЛПР уширена и смещена в длинно- волновую сторону по сравнению с монослойными плёнками. Исследо- ваны кубические нелинейно-оптические свойства монослойных плёнок. Получены достаточно высокие значения коэффициентов оптической кубической восприимчивости, что свидетельствует о перспективности использования таких структур в приборах современной оптоэлектрони- ки. Ключові слова: кубічна оптична нелінійність, нелінійне поглинання, нанокристал Au, 2D-структура, моношар, плазмонний резонанс. Key words: third-order nonlinearity, nonlinear absorption, Au nanocrys- tal, 2D-structure, monolayer, plasmon resonance. Ключевые слова: кубическая оптическая нелинейность, нелинейное поглощение, нанокристалл Au, 2D-структура, монослой, плазмонный резонанс. (Отримано 10 травня 2017 р.) 1. ВСТУП Пошук та дослідження нових нелінійно-оптичних матеріялів з високою кубічною нелінійністю при її великій швидкодії є важ- ливим завданням сучасної оптоелектроніки. Як показали дослі- дження останнього часу, перспективними в цьому відношенні є наноструктури благородних металів, особливо золота [1–3]. Під дією світла в них виникають плазмонні коливання, що призво- дить до підсилення внутрішнього поля і, відповідно, нелінійно- оптичних процесів в околі наночастинок (НЧ) при довжинах хвиль, близьких до плазмонних резонансів. Частоту плазмонних резонансів можна змінювати, міняючи форму НЧ. Внутрішнє по- ле може бути також істотно підсилене в місцях загострення НЧ [4]. В зв'язку з цим, перспективними є наноструктури з НЧ зір- коподібної форми, промені яких і утворюють подібні загострен- ня. В роботах [5, 6] досліджувались плазмонні спектри і кубічна нелінійність чотиропроменевих [5] і шестипроменевих [6] зірко- вих НЧ Au, розміщених у колоїдному розчині. В них виявлено досить високу оптичну нелінійність. Однією з авторів цієї статті [7] були синтезовані нові наностру- ктур Au. Вони являють собою моно- і багатошарові плівки із ба- гатопроменевих зіркоподібних наночастинок, посаджених на СПЕÊТРАЛЬНІ І НЕЛІНІЙНО-ОПТИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ПЛІВОÊ НАНОЧАСТИНОÊ 433 скляні підкладинки. В даній роботі наведено результати дослі- дження плазмонних спектрів таких структур і їх оптичної кубіч- ної нелінійности. 2. ЕКСПЕРИМЕНТ 2.1. Виготовлення зразків Для одержання плівкових структур використовували золотохло- ристоводневу кислоту HAuCl43H2O99,9%, цитрат натрію Na3C6H5O798%, соляну кислоту HCl38%, нітрат срібла AgNO399,8%, аскорбінову кислоту C6H8O699%, 3- амінопропіл-триетоксісілан (АПТЕС) C9H23NO3Si98%, сірчану кислоту H2SO498%, пероксид водню H2O230% без додаткової очистки. Для формування моношарових плівкових структур на основі НЧ Au у формі зірок в якості підкладинок використовували мо- дифіковані скляні пластини розміром 1х1 см. Попередньо підк- ладинки витримували в суміші H2SO4 (98%): H2O2 (30%) (об’ємне відношення 10:1) протягом 10 годин для видалення адсорбованих на поверхні підкладинок органічних сполук, потім багаторазово промивали бідистильованою водою з використанням ультразвуку. Модифікацію поверхні підкладинок проводили з використанням 5% спиртового розчину АПТЕС при кип’ятінні протягом 1,5 го- дини. Модифіковані підкладинки багаторазово промивали етило- вим спиртом і водою з використанням ультразвуку для видален- ня надлишку АПТЕС. Модифіковані скляні підкладинки занурювали у 0,01% розчин HAuCl4 (10 мл) при значенні рН3 (0,1 M НСl). Розчин перемі- шували протягом 10 хв., потім додавали 0,1 мл зародків Au, 0,002 мл 0,05 М AgNO3 і 0,5 мл 0,01 М аскорбінової кислоти. За- барвлення розчину швидко змінювалося з світло-жовтого на си- нє. Розчин перемішували протягом 1 години. Розчин зародків готували додаванням 1,5 мл 1% розчину цитрату натрію до 10 мл 0,001 М киплячого розчину HAuCl4 при інтенсивному пере- мішуванні на магнетній мішалці. Розчин кип’ятили 15 хвилин, підтримуючи постійний об’єм, потім охолоджували на повітрі. Підкладинки промивали водою кілька разів. Шляхом варіювання циклів нарощування НЧ Au одержували моношарові плівкові структури на основі НЧ Au у формі зірок зі ступенем заповнення поверхні підкладинки у 30–80%. Таким чином, формування моношарів нанозірок Au на скля- них підкладинках відбувається в 2 етапи, а саме: 1) функціоналі- зація поверхні скла біфункціональними молекулами АПТЕС, які взаємодіють з сіланольними групами скла, утворюючи ковалент- 434 М. С. БРОДИН, В. І. РÓДЕНÊО, В. Р. ЛЯХОВЕЦЬÊИЙ та ін. ний зв’язок Si–O, та за рахунок наявности позитивно зарядже- них аміногруп –NH3 формують активний шар, що забезпечує ад- сорбцію НЧ-зародків з розчину [7]; 2) ріст нанозірок Au безпосе- редньо на поверхні підкладинки і в об’ємі розчину відновленням золотохлористоводневої кислоти аскорбіновою кислотою на заро- дках у присутності йонів Ag  . Ó присутності зародків, які є центрами формування та росту розгалужених НЧ Au, Ag  відно- влюється аскорбіновою кислотою [8] на поверхні граней зародків з найбільшою поверхневою енергією ({110}, {100}, {310}, {720}) [9], створюючи моношари [10, 11], та перешкоджає подальшому росту Au на поверхні цих граней. Після стабілізації граней з бі- льшою поверхневою енергією атомами Ag відбувається адсорбція Au на гранях {111} з меншою поверхневою енергією, у результаті чого на цих гранях формуються золоті відгалуження [10]. Рис. 1. ТЕМ-зображення синтезованих нанозірок Au.1 Рис. 2. СЕМ-зображення поверхні плівки на основі нанозірок Au.2 СПЕÊТРАЛЬНІ І НЕЛІНІЙНО-ОПТИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ПЛІВОÊ НАНОЧАСТИНОÊ 435 Зображення сформованих Au нанозірок, одержані за допомо- гою просвітлювальної електронної мікроскопії, представлено на рис. 1. Для одержання багатошарових структур на основі нанозірок Au використали методу layer-by-layer самоскладання, у процесі якого скляні темплати занурювали по черзі в колоїдний розчин наночастинок Au і розчин полікатіону відповідно. В якості полі- катіону використовували полі(діаллилдіметил)амоній хлорид (ПДДА; М70000, с2 мг/мл). Êількість сформованих шарів наночастинок Au в експериментальних зразках плівок варіювали в межах n1–5. На рисунку 2 представлено типові мікрофотографії поверхні плівок на основі нанозірок Au після 3 циклів адсорбції. Одержані нанозірки Au на поверхні підкладинки мають крис- талічну структуру, наявність на електронній мікродифракції ха- рактерних рефлексів, що відповідають площинам (111), (200), (220), (311), свідчать про гранецентровану кубічну структуру НЧ Au (рис. 3). 2.2. Експериментальні методики Морфологія поверхні одержаних плівок характеризувалася за до- помогою атомно-силової мікроскопії (АСМ). ТЕМ-мікроскопічні зображення НЧ були одержані за допомогою просвітлювального електронного мікроскопа JEOL JEM-20U. Спектри поглинання зразків в області спектру 400–1100 нм вимірювалися за допомо- гою спектрофотометра Shimadzu UV-2450 при кімнатній темпера- турі. Одержані спектри кореґувалися, враховуючи спектр погли- нання модифікованої підкладинки. Êубічна оптична нелінійність вимірювалася за допомогою ме- Рис. 3. Електронна мікродифракція одержаних плівкових структур на основі нанозірок Au.3 436 М. С. БРОДИН, В. І. РÓДЕНÊО, В. Р. ЛЯХОВЕЦЬÊИЙ та ін. тоду Z-скан, який уможливлює розділити внесок рефрактивної нелінійности і нелінійного поглинання в зразках. Типову експе- риментальну схему Z-скану, за допомогою якої проводилися ви- мірювання, зображено на рис. 4. В експериментах використовувалося випромінення першої та другої гармоніки імпульсного Nd:YAG-лазера з модуляцією доб- ротности в одномодовому режимі. Його параметри: довжина хви- лі основної гармоніки 1064 нм з тривалістю імпульсу ґенера- ції 15 нсек і енергією E40 мкДж; довжина хвилі другої гар- моніки 532 нм з тривалістю імпульсу ґенерації 9 нсек і енергією E40 мкДж. Частота слідування імпульсів була 0,5 Гц, що уможливило виключити тепловий накопичувальний ефект при дослідженні зразків. Радіюс перетяжки у фокусі лінзи скла- дав для 532 нм w048 мкм, а для 1064 нм — w060 мкм. Інтенсивність лазерного випромінення в точці фокусування I0 змінювалася в межах 1–34 МВт/см2 для 532 нм і, відповідно, в межах 1–34 МВт/см2 для 1064 нм. При цьому коефіцієнт пропускання діяфраґми А складав S0,1 для вимірювань на до- вжині хвилі 1064 нм і S0,15 для вимірювань на довжині хвилі 532 нм. Êожній точці експериментальної залежности відповідає 10 імпульсів лазера. Відомо, що залежність коефіцієнта поглинання  від інтенсив- ности лазерного випромінення I0 може бути записана як 0 ( ) ( )I I     , (1) де 0 і  — відповідно лінійний і нелінійний коефіцієнти погли- нання. В OA-конфіґурації вимірюється повне пропускання зразка в залежності від його положення z. Згідно з [3], його можна за- писати як  0 3/20 ( ) ( ) ( 1) m m q z T z m       для q01, (2) де Рис. 4. Схема експерименту за методикою Z-скан.4 СПЕÊТРАЛЬНІ І НЕЛІНІЙНО-ОПТИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ПЛІВОÊ НАНОЧАСТИНОÊ 437     0 0 0 2 0 0 1 exp 1 / I L q Z Z            , (3) z0k0 2/2 — дифракційна довжина пучка, k2/ — хвильовий вектор; 0 — радіюс пучка в площині фокусування; L — товщина зразка. Отже, апроксимуючи одержані дані цією залежністю, можна визначити значення . В СА-конфіґурації діяфраґма блокує частину світлового пучка, який пройшов крізь зразок, що дає змогу зафіксувати зміни про- сторового розподілу інтенсивности пучка в Z-скан-експерименті. Профіль пучка, який пройшов крізь зразок, залежно від поло- ження z зразка на осі, для СА-конфіґурації, згідно з [3–4], мож- на записати так:     02 2 4 ( ) 1 9 1 x T z x x      , (4) де xz/z0, 0kn2I0Leff — фазовий зсув локального поля в фока- льній площині в результаті нелінійної рефракції, n2 — коефіцієнт нелінійности показника заломлення,  eff 0 0 1 exp /L L      — ефективна довжина зразку. Припускаючи, що промінь має Ґаусів профіль і зразок тонкий (Lz0), коефіцієнти n2 можуть бути обчислені з експеримента- льних даних з використанням наступного виразу: 2 0,27 eff 0 2 0,406(1 ) 2 pv T n S L I     , (5) де Tpv — ріжниця між піком і долиною пропускання; S — про- пускання діяфраґми; I0 — пікова інтенсивність пучка в фокаль- ній площині. 3. РЕЗУЛЬТАТИ І ОБГОВОРЕННЯ Запропонований метод одержання моношарових плівкових стру- ктур на основі нанозірок Au безпосередньо на поверхні скляної підкладинки забезпечує формування стабільних плівкових струк- тур з контрольованими параметрами (морфологія, розмір, диспе- рсія НЧ; ступінь заповнення поверхні підкладинки) та уможлив- лює виключити стадію внесення підкладинки до колоїдного роз- чину, що може призвести до коаґуляції НЧ. Методою енергодисперсійної рентґенівської аналізи було ви- значено вміст Ag у НЧ, який складає 6,60,3 ат.%, методою ре- нтґенівської фотоелектронної спектроскопії показано, що атоми 438 М. С. БРОДИН, В. І. РÓДЕНÊО, В. Р. ЛЯХОВЕЦЬÊИЙ та ін. Ag знаходяться у поверхневому шарі НЧ. Дослідження складу нанозірок показало, що гострі відгалуження НЧ складаються з Au, а Ag адсорбовано на поверхні граней кристалічних зародків з більшою поверхневою енергією [7]. Таким чином були сформовані моношарові плівкові структури на основі нанозірок Au на скляних підкладинках з різним ступе- нем заповнення поверхні підкладинки у діяпазоні 30–80%. Спектри поглинання моношарових плівкових структур на ос- нові нанозірок Au (рис. 5) представлено на рис. 6. В даних зраз- ках плівки на основі НЧ у формі зірок формувалися при різній 1 2 3 Рис. 5. АСМ-зображення поверхонь досліджених моношарових плівко- вих структур на основі НЧ Au після 1-го, 2-го та 3-го циклу нарощу- вання.5 Рис. 6. Спектри поглинання (A — оптична густина) моношарових плівок на основі нанозірок Au, сформованих після різної кількости циклів на- рощування (1, 2, 3, 4).6 СПЕÊТРАЛЬНІ І НЕЛІНІЙНО-ОПТИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ПЛІВОÊ НАНОЧАСТИНОÊ 439 кількості циклів нарощування. Як видно з рисунку 6 піки локалізованого плазмонного резо- нансу (ЛПР) для досліджених моношарових плівок розташовані в області 530–570 нм. Зокрема, для плівки після 1-го циклу наро- щування максимум піку ЛПР знаходиться при 548 нм. Смуга ЛПР досить широка, що вказує на те, що її формують НЧ з пев- ним розкидом геометричної форми і розмірів. Для плівки з двома циклами нарощування смуга ЛПР стає ще більш широкою з за- тягнутим довгохвильовим крилом і максимумом, який змістився в довгохвильовий бік. Це означає, що її формують наночастинки з ще більшим розкидом за формою і розміром, з наявністю в плі- вці загалом більших НЧ, ніж в першій плівці, що і видно з АСМ- зображень на рис. 5. Ôорма спектра плівки з трьома циклами нарощування (крива 3 на рис. 6) істотно змінилась: крім основного піка досить вузь- кого і зміщеного в короткохвильовий бік (р534 нм), спостері- гається слабко виражена широка смуга з максимумом р620 нм. Це наводить на думку, що вузька смуга формується досить монодисперсними неаґреґованими НЧ порівняно невеликих роз- мірів, в той час як за широку смугу відповідають більші наноча- стинки з порівняно великим розкидом за розмірами. Справді, на АСМ-зображенні (№ 3 на рис. 5) поряд з малорозмірними неаґре- ґованими НЧ видно багато крупних НЧ з розкидом за розмірами, до того ж досить неоднакової геометричної форми. Такі порівня- но крупні НЧ виникають мабуть внаслідок аґреґації менших НЧ за рахунок електростатичної та капілярної взаємодії. Цікавим є спектр ЛПР плівки з чотирма циклами нарощування (крива 4 на рис. 6). На ньому спостерігається одна відносно неширока смуга при р526 нм сформована, згідно її спектральним положенням, НЧ невеликих розмірів. В ділянці спектру навколо 620 нм, де в попередній плівці спостерігалося широкосмугове поглинання, ми бачимо провал поглинання. Це може означати, що аґреґовані ча- стинки стали настільки крупними, що в них не можуть утвори- тись локалізовані плазмони. Звертає на себе увагу досить істотне звуження і певне коротко- хвильове зміщення піка ЛПР моношарових плівок з трьома і чо- тирма циклами нарощування. Це може означати, що в результаті аґреґації певної частини НЧ, неаґреґованими залишилися доста- тньо близькими за формою і розміром НЧ, які й формують спо- стережуваний пік ЛПР. Спектри поглинання багатошарових плівок з нанозірок золота представлені на рис. 7. Порівняно з моношаровими плівками, максимум ЛПР для багатошарових плівок зміщений у довгохви- льову область спектра поглинання і дещо розширений. Це можна пояснити впливом полікатіону як середовища, що оточує НЧ. Зі 440 М. С. БРОДИН, В. І. РÓДЕНÊО, В. Р. ЛЯХОВЕЦЬÊИЙ та ін. збільшенням шарів, а значить, і кількости полікатіону, його вплив зростає. Характерні залежності нормалізованого привісного пропускан- ня у ОА-конфіґурації експерименту на довжині хвилі лазера 532 нм при тривалості імпульсів 9 нсек для моношарових плівок представлено на рис. 8. Видно, що нелінійне поглинання є від’ємним, тобто спостерігається насичення поглинання [6] і пік нормалізованого пропускання збільшується зі збільшенням цик- лів нарощування плівки, яке підвищує концентрацію НЧ Аu (рис. 5). Водночас, при підвищенні вхідної інтенсивности лазера до I01,6–1,8 Вт/см2 спостерігається деяке сплощення піку погли- нання у фокусі, що може бути пов’язано як з впливом іншого механізму нелінійного поглинання — оберненого насиченого пог- линання, так і з можливим певним нагрівом зразка під дією ла- зерного випромінення. Такі ефекти спостерігалися раніше при поздовжньому ЛПР в золотих наночастинках [13] і в леґованих міддю силікатних сте- клах [14]. Для плівок після 1-го, 2-го і 3-гоциклів нарощування на дов- жині хвилі збуджувального лазера 532 нм при максимальних пікових інтенсивностях I030 МВт/см2, були одержані коефіціє- нти нелінійного поглинання, відповідно, 0,0072 см/Вт, Рис. 7. Спектри поглинання (A — оптична густина) багатошарових плі- вок нанозірок Au, сформованих з різної кількости шарів (1, 2, 3, 4, 5, 6), розділених полікатіоном.7 СПЕÊТРАЛЬНІ І НЕЛІНІЙНО-ОПТИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ПЛІВОÊ НАНОЧАСТИНОÊ 441 0,0019 см/Вт, 0,0021 см/Вт. Характерні залежності нормалізованого пропускання у СА- конфіґурації експерименту на довжині хвилі лазеру 532 нм для моношарових плівок представлено на рис. 9. При наших умовах експерименту вдалося зафіксувати прояв нелінійної рефракції лише для плівок після 2-го і 3-го циклів. Вони показують, що в даних тонких плівках нанозірок спостері- гається самодефокусування, тобто від’ємна рефрактивна неліній- ність. Апроксимуючи одержані експериментальні дані (рис. 9), були розраховано для зразків після 2-го і 3-го циклу нарощуван- ня значення n2 і Re(3): 1,3810 7 см2/Вт (2,6210 6 е.с.о.) і 1,510 7 см2/Вт (2,8510 6 е.с.о.) відповідно. Одержані нелінійно-оптичні параметри для тонких моношаро- вих плівок нанозірок Au представлено в табл. 1. Оптичну кубічну нелінійність тонких моношарових плівок на основі нанозірок Au було також досліджено на довжині хвилі ла- а б в Рис. 8. Залежності нормалізованого пропускання моношарових плівок на основі Au нанозірок, синтезованих різною кількістю циклів нарощу- вання ((a) — 1 цикл, (б) — 2 цикли, (в) — 3 цикли), для ОА- конфіґурації на довжині хвилі лазера 532 нм при різних величинах пі- кової інтенсивности лазеру I0. 8 442 М. С. БРОДИН, В. І. РÓДЕНÊО, В. Р. ЛЯХОВЕЦЬÊИЙ та ін. зера 1064 нм при тривалості імпульсів 15 нсек. Для конфіґу- рації OA, як і у випадку 532 нм, спостерігався ефект насиче- ного поглинання. Значення коефіцієнтів нелінійного поглинання  і уявної час- тини кубічної нелінійної сприйнятливости Im(3) для плівок з 1, 2, 3 і 4 циклами нарощування представлено в табл. 2. Як видно з таблиці 2, коефіцієнти нелінійного поглинання зразків значно більші, ніж для випромінення з  532 нм, при тому, що лінійне поглинання на довжині хвилі 1064 нм є мен- шим, ніж на 532 нм. Залежність величини коефіцієнта нелінійного поглинання  від кількости циклів нарощування плівки N представлено на рис. 10. Зі збільшенням кількости циклів нарощування збільшується концентрація нанозірок і при цьому збільшується по модулю ве- личина , яка сягає максимуму при трьох циклах нарощування і відносно зменшується при 4-х циклах. Така зміна  цілком спів- відноситься з результатами, які були одержані в [15] для компо- зитних плівок з різною концентрацією наночастинок золота. Ав- тори [15] таку залежність  від концентрації наночастинок пов’язують зі зменшенням внеску кожної наночастинки із-за ро- зширення полоси поверхневого плазмонного резонансу під дією лазерного випромінення з 532 нм, і тому певного згасання ЛПР. В нашому ж випадку використовувалося лазерне випромі- нення з 1064 нм, що є далеким від полоси ЛПР; тому почат- кове збільшення , певно, зумовлене збільшенням концентрації окремих золотих наночастинок, в той час як при більшій кілько- сті циклів нарощування з’являється багато великих нанокласте- а б Рис. 9. Залежності нормалізованого пропускання моношарових плівок на основі Au нанозірок після 2-го (а) і 3-го (б) циклів нарощування, для СА-конфіґурації на довжині хвилі лазера 532 нм при величині пікової інтенсивности лазеру I018 МВт/см2.9 СПЕÊТРАЛЬНІ І НЕЛІНІЙНО-ОПТИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ПЛІВОÊ НАНОЧАСТИНОÊ 443 рів із золотих нанозірок, і в нелінійність робить внесок тільки зовнішній шар наночастинок в таких кластерах. Як відзначалось, кубічна оптична нелінійність зразків дослі- джувалась за допомогою методи Z-скан. Із рисунку 6 видно, що довжина хвилі лазера 532 нм попадає в максимум ЛПР для моношарових плівок, що приводить до значного лінійного погли- нання (0105 см 1). Це звужує можливості дослідження на цій довжині хвилі, оскільки вже при пікових інтенсивностях I035 МВт/см2 нано- секундних імпульсів спостерігається руйнування плівки у фокусі лазера. Саме тому нам не вдалося виміряти кубічну нелінійність для багатошарових нанозіркових плівок. Слід зазначити, що для лазерного випромінення у 1064 нм не- лінійну рефракцію в зразках зареєстровано не було. 4. ВИСНОВКИ За допомогою методики формування моношарів нанозірок золота на скляних підкладинках синтезовано наноструктуровані Au мо- но-, 2-, 3-, 4-, 5- і 6-шарові плівки із об’ємних НЧ зіркоподібної форми. За даними спектрів поглинання визначені положення плазмонних резонансів р. Для моношарових структур, залежно від кількости циклів нарощування, р розташовані в інтервалі 530–570 нм. Для багатошарових плівок ЛПР дещо розширились і зміщені в довгохвильовий бік (р600 нм). Для моношарових структур при використанні наноімпульсного 532 нм випромінення одержано достатньо високі значення ТАБЛИЦЯ 1. Нелінійно-оптичні параметри тонких моношарових плівок нанозірок золота на довжині хвилі 532 нм.10 № зразка n2, см 2/Вт , см/Вт Re(3), е.с.о. Im(3), е.с.о. 1 — 1,2610 2 — 1,3510 6 2 1,3810 7 3,610 2 2,6210 6 3,8510 6 3 1,510 7 4,610 2 2,8510 6 4,9110 6 ТАБЛИЦЯ 2. Нелінійно-оптичні параметри тонких моношарових плівок нанозірок золота на довжині хвилі 1064 нм.11 № зразка , см/Вт Im(3), е.с.о. 1 0,028 0,6110 5 2 0,28 5,910 5 3 0,44 9,3510 5 4 0,3 6,510 5 444 М. С. БРОДИН, В. І. РÓДЕНÊО, В. Р. ЛЯХОВЕЦЬÊИЙ та ін. дійсної й уявної частин нелінійної кубічної сприйнятливости: Re(3)310 6 е.с.о. та Im(3)9,3510 5 е.с.о. Для випромінення 1064 нм одержано Im(3)10 5 е.с.о. Слід зазначити, що на острівцевих плівках золота, синтезова- них методою відпалу суцільної напиленої плівки, нами раніше було одержано вищі значення Re(3) при 532 нм (Re(3)810 5 е.с.о.) [2], проте лінійні втрати на поглинання та розсіяння у ви- падку плівок на основі нанозірок в три рази нижчі, ніж у випад- ку наноострівцевих плівок. Таким чином, плівкові структури на основі нанозірок Au пред- ставляють значний практичний інтерес для використання у при- ладах сучасної оптоелектроніки. ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА—REFERENCES 1. E. Prodan, C. Radloff, N. J. Halas, and P. Nordlander, Science, 302: 419 (2003). 2. A. A. Borshch, M. S. Brodyn, V. R. Lyakhovetsky, V. I. Volkov and R. D. Fedorovich, JETP Letters, 84: 214 (2006). 3. M. Brodyn, V. Volkov, V. Lyakhovetsky, V. Rudenko, and V. Styopkin, Appl. Phys. B, 111: 567 (2013). 4. M. I. Stockman, Physics Today, 64: 39 (2011). 5. Yi Hua, K. Chandra, D. H. M. Dam, G. P. Wiederrecht, and T. W. Odom, J. Phys. Chem. Lett., 6: 4904 (2015). 6. X.-L. Liu, J.-H. Wang, Sh. Liang, D.-J. Yang, F. Nan, S.-J. Ding, L. Zhou, Zh.-H. Hao, and Q.-Q. Wang, J. Phys. Chem. C, 118: 9659 (2014). 7. N. A. Matveevska, Yu. V. Yermolayeva, Yu. I. Pazyura, Yu. N. Savin, and A. V. Tolmachov, Nanosistemi, Nanomateriali, Nanotehnologii, 7, Iss. 2: 517 Рис. 10. Залежність коефіцієнта нелінійного поглинання  від N — кі- лькости циклів нарощування моношарової плівки на основі Au нанозі- рок для 1064 нм.12 СПЕÊТРАЛЬНІ І НЕЛІНІЙНО-ОПТИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ПЛІВОÊ НАНОЧАСТИНОÊ 445 (2009) (in Russian); Н. А. Матвеевская, Ю. В. Ермолаева, Ю. И. Пазюра, Ю. Н. Саввин, А. В. Толмачев, Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології, 7, вип. 2: 517 (2009). 8. Ch. J. Doran and S. J. Mc Cormack, Journal of Colloid and Interface Science, 459: 218 (2015). 9. P. Ndokoye, X. Li, Q. Zhao, T. Li, M. O. Tade, and S. Liu, Journal of Colloid and Interface Science, 462: 341 (2016). 10. E. S. Kooij, W. Ahmed, C. Hellenthal, H. J. W. Zandvliet, B. Poelsema, Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects, 413: 231 (2012). 11. S. A. Canonico-May, K. R. Beavers, M. J. Melvin, A. Alkilany, C. L. Duvall, and J. W. Stone, Journal of Colloid and Interface Science, 463, Iss. 1: 229 (2016). 12. T. G. Beynik, N. A. Matveevska, M. V. Dobrotvorska, P. V. Mateychenko, M. I. Danilenko, T. O. Cheipesh, D. Yu. Kosyanov, A. A. Vornovskikh, and V. G. Kuryavyi, Nanosistemi, Nanomaterіali, Nanotehnologii, 15, No. 3: 417 (2017) (in Russian); Т. Г. Бейник, Н. А. Матвеевская, М. В. Добротворская, П. В. Матейченко, Н. И. Даниленко, Т. А. Чейпеш, Д. Ю. Êосьянов, А. А. Ворновских, В. Г. Êурявый, Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології, 15, вип. 3: 417 (2017). 13. B. Can-Uc, R. Rangel-Rojo, L. Rodriguez-Fernandez, and A. Oliver, Opt. Mater. Express, 3: 2012 (2013). 14. S. Mohan, J. Lange, H. Graener, and G. Seifert, Opt. Express, 20: 28655 (2012). 15. G. Piredda, D. Smith, B. Wendling, and R. Boyd, J. Opt. Soc. Am. B, 25, Iss. 6: 945 (2008). 1Institute of Physics, N.A.S. of Ukraine, Nauky Ave., 46, 03028 Kyiv, Ukraine 2Institute for Single Crystals, N.A.S. of Ukraine, Nauky Ave., 60, 61001 Kharkiv, Ukraine 1 Fig. 1. TEM images of synthesized Au nanostars. 2 Fig. 2. SEM image of the surface of film based on Au nanostars. 3 Fig. 3. Electron microdiffraction for obtained film structures based on Au nanostars. 4 Fig. 4. Schematic circuit of Z-scan set-up. 5 Fig. 5. AFM image of the surface of studied monolayer film structures of Au NPs after the 1st, 2nd and 3rd building-up cycle. 6 Fig. 6. The absorption spectra (A—absorbance) of monolayer films based on Au nanostars synthesized by varying the number of building-up cycles (1, 2, 3, 4). 7 Fig. 7. The absorption spectra (A—absorbance) of multilayer films based on Au nanostars, formed from a different number of layers (1, 2, 3, 4, 5, 6) separated by polycation. 8 Fig. 8. Dependence of normalized transmission of monolayer films based on Au nanostars synthesized by varying the number of building-up cycles ((а)—1 cycle, (б)—2 cycles, (в)—3 cycles) for OA configuration at a laser wavelength of 532 nm at different values of laser peak intensity I0. 9 Fig. 9. Dependence of normalized transmission monolayer film based on Au nanostars formed 2 (а) and 3 (б) extensions cycles for CA configuration at a wavelength of 532 nm laser at a value of peak intensity of the laser beam I018 MW/cm2. 10 TABLE 1. Nonlinear optical parameters of thin monolayer films based on Au nanostars at the wavelength 532 nm. 446 М. С. БРОДИН, В. І. РÓДЕНÊО, В. Р. ЛЯХОВЕЦЬÊИЙ та ін. 11 TABLE 2. Nonlinear optical parameters of thin monolayer films based on Au nanostars at the wavelength 1064 nm. 12 Fig. 10. Dependence of nonlinear absorption coefficient  by increasing the number of ex- tensions cycles N for monolayer film based on Au nanostars at wavelength 1064 nm.

Спектральні і нелінійно-оптичні властивості моно- і багатошарових плівок зіркоподібних наночастинок, посаджених на скляні підкладинки

Репозитарії

Схожі ресурси