Усиление полос поглощения в инфракрасных спектрах низкотемпературных пленок урацила с помощью интерференции

Усиление полос поглощения в инфракрасных спектрах низкотемпературных пленок урацила с помощью интерференции

Предложен экспериментальный метод, позволяющий существенно усилить полосы в ИК спектрах поглощения низкотемпературных пленок, используя стандартную аппаратуру матричной изоляции. Эффект достигается за счет интерференционного усиления электромагнитной волны при использовании подслоя из пленки аргон...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Veröffentlicht in:Физика низких температур
Datum:2018
Hauptverfasser: Иванов, А.Ю., Плохотниченко, А.М., Карачевцев, В.А.
Format: Artikel
Sprache:Russian
Veröffentlicht: Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України 2018
Schlagworte:
Короткі повідомлення
Online Zugang:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/176499
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Усиление полос поглощения в инфракрасных спектрах низкотемпературных пленок урацила с помощью интерференции / А.Ю. Иванов, А.М. Плохотниченко, В.А. Карачевцев // Физика низких температур. — 2018. — Т. 44, № 11. — С. 1554-1558. — Бібліогр.: 28 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-176499
record_format dspace
spelling Иванов, А.Ю.
Плохотниченко, А.М.
Карачевцев, В.А.
2021-02-04T20:01:49Z
2021-02-04T20:01:49Z
2018
Усиление полос поглощения в инфракрасных спектрах низкотемпературных пленок урацила с помощью интерференции / А.Ю. Иванов, А.М. Плохотниченко, В.А. Карачевцев // Физика низких температур. — 2018. — Т. 44, № 11. — С. 1554-1558. — Бібліогр.: 28 назв. — рос.
0132-6414
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/176499
Предложен экспериментальный метод, позволяющий существенно усилить полосы в ИК спектрах поглощения низкотемпературных пленок, используя стандартную аппаратуру матричной изоляции. Эффект достигается за счет интерференционного усиления электромагнитной волны при использовании подслоя из пленки аргона. В диапазоне 2000–500 см⁻¹ с разрешением 3 см⁻¹ получены ИК фурье-спектры низкотемпературных пленок молекул урацила (Ur). При низких температурах были выращены тонкие пленки Ur толщиной около 0,3 мкм на поверхности пленок аргона толщиной 2,3 и 1,1 мкм. Для первой бислойной структуры зарегистрировано усиление в спектральной области 1250–500 см⁻¹ , а для второй — в диапазоне 2000–500 см⁻¹ . Благодаря усилению в спектре низкотемпературной пленки урацила впервые зарегистрированы полосы поглощения в области внеплоскостных деформационных колебаний 1000–500 см⁻¹ . Установлено, что внеплоскостные фундаментальные моды NH групп Ur наиболее чувствительны к изменениям кристаллической структуры пленки. Показано, что спектр поглощения отогретой до комнатной температуры пленки Ur отличается от спектра кристалла Ur, полученного из раствора, что свидетельствует о различии в их структурах.
Запропоновано експериментальний метод, що дозволяє істотно підсилити смуги в ІЧ спектрах поглинання низькотемпературних плівок, використовуючи стандартну апаратуру матричної ізоляції. Ефект досягається за рахунок інтерференційного підсилення електромагнітної хвилі при використанні підшару з плівки аргону. В діапазоні 2000–500 см⁻¹ з розділенням 3 см⁻¹ отримані ІЧ фур’є спектри низькотемпературних плівок молекул урацилу (Ur). При низьких температурах були вирощені тонкі плівки Ur завтовшки близько 0,3 мкм на поверхні плівок аргону товщиною 2,3 та 1,1 мкм. Для першої двошарової структури зареєстровано підсилення в спектральній області 1250–500 см⁻¹ , а для другої в діапазоні 2000–500 см⁻¹ . Завдяки підсиленню, в спектрі низькотемпературної плівки урацила вперше зареєстровані смуги поглинання в області позаплощинних деформаційних коливань 1000–500 см⁻¹ . Встановлено, що позаплощинні фундаментальні моди NH груп Ur найбільш чутливі до змін кристалічної структури плівки. Показано, що спектр поглинання відігрітої до кімнатної температури плівки Ur відрізняється від спектру кристала Ur, отриманого з розчину, що свідчить про відмінність в їхніх структурах.
The experimental method has been proposed which makes it possible to substantially enhance of the bands in the infrared absorption spectra of low-temperature films by using the standard matrix isolation equipment. The effect is achieved due to the interference amplification of the electromagnetic wave when using an underlayer of argon film. The infrared Fourier spectra of low-temperature films of uracil molecules (Ur) were obtained in the range 2000–500 cm⁻¹ with a resolution of 3 cm⁻¹ . At low temperatures, thin Ur films with a thickness of about 0.3µ were grown on the surface of the 2.3 and 1.1µ thick argon films. The gain in the spectral range of 1250–500 cm⁻¹ is recorded for the first bilayer structure, and for the second bilayer structure in the range of 2000–500 cm⁻¹ . Owing to the amplification, in the spectrum of the low-temperature uracil film, the absorption bands were first recorded in the region of the out-of-plane deformation vibrations: 1000–500 cm⁻¹ . It is established that the out-of-plane fundamental NH modes of Ur groups are most sensitive to changes in the crystal structure of the film. It is shown that the absorption spectrum of the Ur film heated to room temperature differs from the spectrum of the Ur crystal obtained from the solution, which indicates a difference in their structures.
Работа выполнена при финансовой поддержке Национальной академии наук Украины (гранты №0117U002287 и N15/18-H в рамках программы «Фундаментальные проблемы создания новых наноматериалов и нанотехнологии»). Авторы благодарят Ю.В. Рубина и C.Г. Степаньяна за обсуждение работы, а также Л.Ф. Белоуса за помощь в проведении расчетов на ГРИД-кластере Физико-технического института низких температур им. Б.И. Веркина НАН Украины.
ru
Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України
Физика низких температур
Короткі повідомлення
Усиление полос поглощения в инфракрасных спектрах низкотемпературных пленок урацила с помощью интерференции
Підсилення смуг поглинання в інфрачервоних спектрах низькотемпературних плівок урацилу за допомогою інтерференції
The enhancement of the absorption bands in the infrared spectra of low-temperature films of uracil with using interference
Article
published earlier
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
title Усиление полос поглощения в инфракрасных спектрах низкотемпературных пленок урацила с помощью интерференции
spellingShingle Усиление полос поглощения в инфракрасных спектрах низкотемпературных пленок урацила с помощью интерференции
Иванов, А.Ю.
Плохотниченко, А.М.
Карачевцев, В.А.
Короткі повідомлення
title_short Усиление полос поглощения в инфракрасных спектрах низкотемпературных пленок урацила с помощью интерференции
title_full Усиление полос поглощения в инфракрасных спектрах низкотемпературных пленок урацила с помощью интерференции
title_fullStr Усиление полос поглощения в инфракрасных спектрах низкотемпературных пленок урацила с помощью интерференции
title_full_unstemmed Усиление полос поглощения в инфракрасных спектрах низкотемпературных пленок урацила с помощью интерференции
title_sort усиление полос поглощения в инфракрасных спектрах низкотемпературных пленок урацила с помощью интерференции
author Иванов, А.Ю.
Плохотниченко, А.М.
Карачевцев, В.А.
author_facet Иванов, А.Ю.
Плохотниченко, А.М.
Карачевцев, В.А.
topic Короткі повідомлення
topic_facet Короткі повідомлення
publishDate 2018
language Russian
container_title Физика низких температур
publisher Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України
format Article
title_alt Підсилення смуг поглинання в інфрачервоних спектрах низькотемпературних плівок урацилу за допомогою інтерференції
The enhancement of the absorption bands in the infrared spectra of low-temperature films of uracil with using interference
description Предложен экспериментальный метод, позволяющий существенно усилить полосы в ИК спектрах поглощения низкотемпературных пленок, используя стандартную аппаратуру матричной изоляции. Эффект достигается за счет интерференционного усиления электромагнитной волны при использовании подслоя из пленки аргона. В диапазоне 2000–500 см⁻¹ с разрешением 3 см⁻¹ получены ИК фурье-спектры низкотемпературных пленок молекул урацила (Ur). При низких температурах были выращены тонкие пленки Ur толщиной около 0,3 мкм на поверхности пленок аргона толщиной 2,3 и 1,1 мкм. Для первой бислойной структуры зарегистрировано усиление в спектральной области 1250–500 см⁻¹ , а для второй — в диапазоне 2000–500 см⁻¹ . Благодаря усилению в спектре низкотемпературной пленки урацила впервые зарегистрированы полосы поглощения в области внеплоскостных деформационных колебаний 1000–500 см⁻¹ . Установлено, что внеплоскостные фундаментальные моды NH групп Ur наиболее чувствительны к изменениям кристаллической структуры пленки. Показано, что спектр поглощения отогретой до комнатной температуры пленки Ur отличается от спектра кристалла Ur, полученного из раствора, что свидетельствует о различии в их структурах. Запропоновано експериментальний метод, що дозволяє істотно підсилити смуги в ІЧ спектрах поглинання низькотемпературних плівок, використовуючи стандартну апаратуру матричної ізоляції. Ефект досягається за рахунок інтерференційного підсилення електромагнітної хвилі при використанні підшару з плівки аргону. В діапазоні 2000–500 см⁻¹ з розділенням 3 см⁻¹ отримані ІЧ фур’є спектри низькотемпературних плівок молекул урацилу (Ur). При низьких температурах були вирощені тонкі плівки Ur завтовшки близько 0,3 мкм на поверхні плівок аргону товщиною 2,3 та 1,1 мкм. Для першої двошарової структури зареєстровано підсилення в спектральній області 1250–500 см⁻¹ , а для другої в діапазоні 2000–500 см⁻¹ . Завдяки підсиленню, в спектрі низькотемпературної плівки урацила вперше зареєстровані смуги поглинання в області позаплощинних деформаційних коливань 1000–500 см⁻¹ . Встановлено, що позаплощинні фундаментальні моди NH груп Ur найбільш чутливі до змін кристалічної структури плівки. Показано, що спектр поглинання відігрітої до кімнатної температури плівки Ur відрізняється від спектру кристала Ur, отриманого з розчину, що свідчить про відмінність в їхніх структурах. The experimental method has been proposed which makes it possible to substantially enhance of the bands in the infrared absorption spectra of low-temperature films by using the standard matrix isolation equipment. The effect is achieved due to the interference amplification of the electromagnetic wave when using an underlayer of argon film. The infrared Fourier spectra of low-temperature films of uracil molecules (Ur) were obtained in the range 2000–500 cm⁻¹ with a resolution of 3 cm⁻¹ . At low temperatures, thin Ur films with a thickness of about 0.3µ were grown on the surface of the 2.3 and 1.1µ thick argon films. The gain in the spectral range of 1250–500 cm⁻¹ is recorded for the first bilayer structure, and for the second bilayer structure in the range of 2000–500 cm⁻¹ . Owing to the amplification, in the spectrum of the low-temperature uracil film, the absorption bands were first recorded in the region of the out-of-plane deformation vibrations: 1000–500 cm⁻¹ . It is established that the out-of-plane fundamental NH modes of Ur groups are most sensitive to changes in the crystal structure of the film. It is shown that the absorption spectrum of the Ur film heated to room temperature differs from the spectrum of the Ur crystal obtained from the solution, which indicates a difference in their structures.
issn 0132-6414
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/176499
citation_txt Усиление полос поглощения в инфракрасных спектрах низкотемпературных пленок урацила с помощью интерференции / А.Ю. Иванов, А.М. Плохотниченко, В.А. Карачевцев // Физика низких температур. — 2018. — Т. 44, № 11. — С. 1554-1558. — Бібліогр.: 28 назв. — рос.
work_keys_str_mv AT ivanovaû usileniepolospogloŝeniâvinfrakrasnyhspektrahnizkotemperaturnyhplenokuracilaspomoŝʹûinterferencii
AT plohotničenkoam usileniepolospogloŝeniâvinfrakrasnyhspektrahnizkotemperaturnyhplenokuracilaspomoŝʹûinterferencii
AT karačevcevva usileniepolospogloŝeniâvinfrakrasnyhspektrahnizkotemperaturnyhplenokuracilaspomoŝʹûinterferencii
AT ivanovaû pídsilennâsmugpoglinannâvínfračervonihspektrahnizʹkotemperaturnihplívokuraciluzadopomogoûínterferencíí
AT plohotničenkoam pídsilennâsmugpoglinannâvínfračervonihspektrahnizʹkotemperaturnihplívokuraciluzadopomogoûínterferencíí
AT karačevcevva pídsilennâsmugpoglinannâvínfračervonihspektrahnizʹkotemperaturnihplívokuraciluzadopomogoûínterferencíí
AT ivanovaû theenhancementoftheabsorptionbandsintheinfraredspectraoflowtemperaturefilmsofuracilwithusinginterference
AT plohotničenkoam theenhancementoftheabsorptionbandsintheinfraredspectraoflowtemperaturefilmsofuracilwithusinginterference
AT karačevcevva theenhancementoftheabsorptionbandsintheinfraredspectraoflowtemperaturefilmsofuracilwithusinginterference
first_indexed 2025-11-26T08:43:40Z
last_indexed 2025-11-26T08:43:40Z
_version_ 1850616129313046528
fulltext Low Temperature Physics/Фізика низьких температур, 2018, т. 44, № 11, c. 1554–1558 Усиление полос поглощения в инфракрасных спектрах низкотемпературных пленок урацила с помощью интерференции А.Ю. Иванов, А.М. Плохотниченко, В.А. Карачевцев Физико-технический институт низких температур им. Б.И. Веркина НАН Украины пр. Науки, 47, г. Харьков, 61103, Украина E-mail: ivanov@ilt.kharkov.ua Статья поступила в редакцию 23 июня 2018 г., опубликована онлайн 26 сентября 2018 г. Предложен экспериментальный метод, позволяющий существенно усилить полосы в ИК спектрах по- глощения низкотемпературных пленок, используя стандартную аппаратуру матричной изоляции. Эффект достигается за счет интерференционного усиления электромагнитной волны при использовании подслоя из пленки аргона. В диапазоне 2000–500 см–1 с разрешением 3 см–1 получены ИК фурье-спектры низко- температурных пленок молекул урацила (Ur). При низких температурах были выращены тонкие пленки Ur толщиной около 0,3 мкм на поверхности пленок аргона толщиной 2,3 и 1,1 мкм. Для первой бислой- ной структуры зарегистрировано усиление в спектральной области 1250–500 см–1, а для второй — в диа- пазоне 2000–500 см–1. Благодаря усилению в спектре низкотемпературной пленки урацила впервые зареги- стрированы полосы поглощения в области внеплоскостных деформационных колебаний 1000–500 см–1. Установлено, что внеплоскостные фундаментальные моды NH групп Ur наиболее чувствительны к изме- нениям кристаллической структуры пленки. Показано, что спектр поглощения отогретой до комнатной температуры пленки Ur отличается от спектра кристалла Ur, полученного из раствора, что свидетельст- вует о различии в их структурах. Ключевые слова: основания РНК, графен, урацил, низкотемпературная матричная изоляция, квантово- механические расчеты, ИК фурье-спектроскопия. 1. Введение Изучение структурной организации биомолекул на твердотельных поверхностях наноразмерных объектов представляет большой интерес для различных областей прикладной и фундаментальной науки [1–7]. В частно- сти, проводятся эксперименты по функционализации металлических и полупроводниковых наноструктур для молекулярной наноэлектроники [1,2]. Кроме того, ши- роко исследуются свойства биогибридных наномате- риалов на основе графена/оксида графена для создания биосенсоров и применения в медицине [9,10]. Важной составной частью многих наноструктурных исследований является анализ инфракрасных спектров. Эти спектры дают важную информацию о водородных связях в гиб- ридных бионаноструктурах. К сожалению, возможно- сти метода инфракрасной спектроскопии существенно ограничивает низкая чувствительность. Кроме того, из- мерение поглощения пленки в оптической схеме зер- кального отражения может еще больше уменьшить чувствительность метода. Фундаментальной причиной, ослабляющей спектральное поглощение тонких пле- нок, нанесенных на металлическое зеркало, является де- структивная интерференция вблизи поверхности зерка- ла при углах падения, близких к нормали [11,12]. Чтобы увеличить амплитуду электромагнитной волны, при- меняют наклон зеркала под «магическим» углом [11,12] и различные схемы многократного отражения [12,13]. Однако применение этих методов усложняет оптиче- скую схему и может увеличить размер образца. Ранее мы показали, что пленка-подслой графена позволяет уйти из интерференционного минимума и существенно усилить полосы поглощения в инфракрасном спектре [14]. В этой работе мы используем экспериментальную установку для низкотемпературной матричной изоляции [15], что- бы усилить поглощение в инфракрасных спектрах пле- нок основания РНК урацила (Ur) на пленке-подслое Ar, заданной толщины. Для отнесения полос в спектрах Ur кроме литературных данных были использованы кван- тово-механические расчеты методом DFT. © А.Ю. Иванов, А.М. Плохотниченко, В.А. Карачевцев, 2018 Усиление полос поглощения в инфракрасных спектрах низкотемпературных пленок урацила 2. Методы эксперимента и расчетов Характеристики базовой экспериментальной уста- новки низкотемпературной матричной изоляции были представлены нами в работах [15–17]. ИК фурье-спек- тры пленок урацила регистрировались в диапазоне 2000–500 cм–1 с аподизированным разрешением 3 cм–1. При испарении Ur температура ячейки Кнудсена ста- билизировалась на уровне 470 К. Нанесение пленок Ur и Ar производилось на плоские медные зеркала при температурах 5 и 10 К. Чистота инертного газа (Ar) превышала 99,99%. Молекулярные потоки Ur (Sigma, Europe) и Ar измерялись с помощью низкотемператур- ных кварцевых микровесов (КМВ) [17]. Для оценки толщин пленок Ar по данным КМВ было выбрано про- межуточное значение плотности конденсата (1,5 г/см3). Такой выбор был обоснован литературными данными о падении плотности газового конденсата с уменьше- нием температуры конденсации [18]. Кроме спектров пленок, был получен спектр изолированных молекул Ur в матрице Ar при концентрации (matrix to sample ratio = M/S) 800:1. Количество вещества в матрице совпадало с пленочными образцами. ИК фурье-спектр матричного образца регистрировался с аподизирован- ным разрешением 0,3 cм–1. Квантово-механические расчеты выполнялись с по- мощью программы Firefly (версия 8.0) [19], которая частично использует алгоритмы программы GAMESS (US) [20]. Расчеты выполнялись на рабочей станции, а также грид-кластере ФТИНТ им. Б.И. Веркина НАН Украины. Оптимизация молекулярной структуры Ur и расчет колебательного спектра проводились методом теории функционала плотности DFT/B3LYP с базисом 6–311++G(df,pd). Ранее было показано, что метод DFT/B3LYP/6–311++G(df,pd) обеспечивает хорошее совпадение между частотами полос поглощения рас- четных и экспериментальных спектров [21,22]. 3. Результаты и обсуждение Расчеты, выполненные нами, и литературные дан- ные [23,24] позволили выполнить отнесение фунда- ментальных мод в матричном спектре основной ди- кето-формы урацила (рис. 1(а)). По сравнению с Ar матрицей в спектрах низкотемпературных пленок Ur хорошо видно уширение полос поглощения, сдвиг час- тот и падение пиковых интенсивностей (рис. 1(б)). Спектр пленки Ur, нанесенной на пленку-подслой Ar (рис. 1(б), кривая 1), резко отличается от спектра плен- ки, нанесенной непосредственно на медное зеркало (рис. 1(б), кривая 2), интенсивностью полос поглоще- ния. Известно, что интенсивность спектрального по- глощения прямо пропорциональна среднему квадрату амплитуды электрического поля [25]. Исходя из этого, мы рассчитали изменение амплитуды электромагнит- ной волны в такой пленочной системе с помощью уп- рощенной схемы интерференции (рис. 1(в)). В этой схеме мы не учитывали толщину пленки Ur, которая, согласно измерениям с помощью КМВ, не превышает 0,3 мкм. Кроме того, в наших экспериментах угол па- дения излучения на образец (<α) достаточно мал (<10°). Следовательно, относительное изменение ам- плитуды электромагнитной волны в точке U (рис. 1(в)) можно рассчитать в приближении нормального паде- ния излучения по стандартной формуле [25]: 0/ 1 cos (2 (2 / ))E E nL= − π λ , (1) где l — толщина пленки Ar, n — коэффициент прелом- ления пленки Ar, λ — длина волны инфракрасного из- лучения. Pис. 1. (Онлайн в цвете) Колебательные спектры молекул урацила в различных агрегатных состояниях и интерферен- ционный профиль E/E0 в области 1830–500 см–1: Ur в Ar матрице (Т = 10 К, M/S = 800:1) (а). Пленки Ur выращенные на медном зеркале при 10 К (1), на пленке-подслое Ar толщи- ной 2,3 мкм при 5 К (2) (б). Относительное изменение ампли- туды излучения на пленке Ur для толщины подслоя 2,3 мкм (в). Low Temperature Physics/Фізика низьких температур, 2018, т. 44, № 11 1555 А.Ю. Иванов, А.М. Плохотниченко, В.А. Карачевцев Если вместо длины волны λ использовать шкалу волновых чисел ν размерностью см–1, то уравнение (1) можно записать в виде 0/ 1 cos(2 (2 /10000))E E nL= − π ν . (2) Зависимость E/E0 от волнового числа для пленки Ar толщиной L около 2,3 мкм хорошо согласуется с экс- периментальными данными (рис. 1(б), (в)). Двукрат- ному росту амплитуды (рис. 1(в)) соответствует резкий рост спектрального поглощения двухслойной пленки для частот ниже 1000 см–1 (рис. 1(б), кривая 1) по срав- нению с поглощением пленки, нанесенной непосред- ственно на медное зеркало (рис. 1(б), кривая 2). Соглас- но экспериментальным данным, интенсивность полос поглощения в этом диапазоне увеличивается более чем в 15 раз, а для самой низкочастотной группы полос (560–500 см–1) более чем в 30 раз (рис. 1(б), кривая 2). Интерференционный минимум вблизи 1600 см–1 (рис. 1(в)) совпадает с уменьшением интенсивности полос поглощения валентных колебаний νCO и пло- скостных деформационных колебаний βNH в двух- слойной пленке (рис. 1(б), кривая 1) по сравнению со спектром пленки Ur на медном зеркале (рис. 1(б), кри- вая 2). Если уменьшить толщину пленки Ar до 1,1 мкм, то интерференционный максимум будет располагаться вблизи 1700 см–1 (рис. 2(а)). Этот результат согласуется с экспериментальными спектрами двухслойных пленок Ur/Ar, где более чем в 7 раз увеличивается интен- сивность полос поглощения колебаний νCO и βNH (рис. 2(б)). Причем в спектре двухслойной пленки, на- несенной на зеркало с температурой 10 К (рис. 2(б), кривая 1), рост интенсивности этих колебаний больше, чем для пленки на зеркале с температурой 5 К (рис. 2(б), кривая 2). Но в спектре пленки на зеркале с температу- рой 5 К более интенсивными являются полосы погло- щения низкочастотного диапазона (рис. 2(б)). Это го- ворит о том, что на более низкотемпературном зеркале формируется более толстая пленка Ar, возможно, за счет более пористой структуры конденсата Ar [18]. Сравнение интерференционных максимумов для пле- нок Ar разной толщины (рис. 1(в), рис. 2(а)) показывает, что более тонкий подслой Ar обеспечивает усиление в большем диапазоне частот (рис. 2(а)). Ранее близкий уровень усиления для полос колебаний νCO, βNH мы регистрировали для двухслойной пленки 5F-урацил/ок- сид графена [14]. Использование интерференционного усиления впер- вые позволило получить инфракрасные спектры низко- температурных пленок Ur с интенсивным поглощением и сравнить полосы поглощения пленочных спектров (рис. 1(б), 2(б)) с матричным (рис. 1(а)). В высокочас- тотной области спектра (2000–1000 см–1) по сравне- нию с матрицей, частоты полос поглощения валентных колебаний νCO уменьшаются, а для плоскостных де- формационных колебаний βNH, CH и валентных коле- баний кольца немного возрастают (рис. 1(а), (б)). Од- нако наиболее сильно межмолекулярные взаимодейст- вия в пленке влияют на частоты внеплоскостных из- гибных колебаний групп N1H, N3H (рис. 1(а)). Ранее для поликристаллических образцов урацила было по- казано, что полосы поглощения колебаний γN3H и γN1H располагаются около 854 и 809 см–1 при 300 К и 873, 828 см–1 при 10 К [23]. В отличие от совершенных кристаллов урацила, полученных из водного раствора, низкотемпературные пленки Ur имеют более сложную структурную организацию. Так, измерения с помощью туннельного микроскопа показали, что формирование Pис. 2. Сравнение колебательных спектров пленок урацила при различных температурах и интерференционный профиль E/E0 в области 1830–500 см–1: относительное изменение ам- плитуды излучения на пленке Ur для толщины подслоя 1,1 мкм (а). Пленки Ur выращенные на пленке-подслое Ar толщиной 1,1 мкм при 10 К (1), на пленке-подслое Ar толщи- ной 1,1 мкм при 5 К (2) (б). Отогретые пленки Ur полученные из пленки выращенной на медном зеркале при 10 К (1); пленки выращенной на пленке-подслое Ar толщиной 2,3 мкм при 5 К (2); пленки выращенной на пленке-подслое Ar толщиной 1,1 мкм при 10 К (3) (в). 1556 Low Temperature Physics/Фізика низьких температур, 2018, т. 44, № 11 Усиление полос поглощения в инфракрасных спектрах низкотемпературных пленок урацила пленки урацила на поверхности Cu(111) при 70 К на- чинается с образования 2D островков состоящих из тримеров урацила [26]. Экспериментальные наблюде- ния хорошо согласуются с двумя различными структу- рами межмолекулярных водородных связей в тримерах урацила [26]. Можно предположить, что понижение температуры подложки приведет к еще большему раз- нообразию структуры стартовых островков при росте пленки Ur. Как результат, мы наблюдаем, что поло- сы поглощения колебаний γNH в низкотемпературной пленке (рис. 1(б)) заметно отличаются от поглоще- ния поликристаллического образца [23]. Смещаются не только частоты, но также выравниваются интеграль- ные интенсивности полос поглощения колебаний γN3H (880 см–1) и γN3H (812 см–1). Отогрев низкотем- пературных пленок Ur до комнатных температур при- водит к их структурному упорядочению и заметному сужению полос поглощения в инфракрасных спектрах (рис. 2(в)). Интересно отметить, что, в отличие от низко- температурной пленки Ur на медном зеркале (рис. 1(б), кривая 2), в спектрах отогретых пленок хорошо видны низкочастотные колебания (рис. 2(в)). Возможно, в про- цессе кристаллизации пленки при повышении темпе- ратуры появляется зазор между отдельными фрагмен- тами пленки и поверхностью зеркала, что приводит к росту пиковой интенсивности полос поглощения. Этот прирост усиливается также и за счет уменьшения ши- рины полос поглощения. В спектрах отогретых пленок контур полос поглощения колебаний βNH (рис. 2(в)) хорошо совпадет со спектральными данными для по- ликристаллического образца [23]. Однако для колеба- ний γNH вместо разделенных полос с частотами 854 и 809 см–1 [23] мы наблюдаем перекрывающиеся полосы с частотами 860 и 830 см–1 (рис. 2(в)). Эти полосы имеют близкую интегральную интенсивность, что го- ворит о различии структуры водородных связей в ото- гретой пленке Ur и кристалле Ur, полученном из рас- твора. Такой вывод согласуется с данными расчетов, которые предсказывают возможность существования нескольких энергетически близких вариантов струк- турной организации ассоциатов урацила [27,28]. 4. Выводы Впервые предложен экспериментальный метод, ко- торый позволяет существенно усилить полосы ИК по- глощения образца в низкотемпературных пленках с помощью интерференционного усиления электромагнит- ной волны при использовании аппаратуры матричной изоляции. На примере пленки урацила с использовани- ем подслоя из пленки Ar показано, что интенсивность отдельных полос в спектре ИК поглощения может уве- личиваться более чем в 30 раз. Изменения в контуре поглощения полос внеплоско- стных γNH колебаний как в низкотемпературной, так и отогретой пленки урацила свидетельствуют о воз- можном полиморфизме структуры поликристалличе- ской пленки. Работа выполнена при финансовой поддержке Нацио- нальной академии наук Украины (гранты №0117U002287 и N15/18-H в рамках программы «Фундаментальные проблемы создания новых наноматериалов и нанотех- нологии»). Авторы благодарят Ю.В. Рубина и C.Г. Сте- паньяна за обсуждение работы, а также Л.Ф. Белоуса за помощь в проведении расчетов на ГРИД-кластере Физико-технического института низких температур им. Б.И. Веркина НАН Украины. ________ 1. J.V. Barth, G. Costantini, and K. Kern1, Nature 437, 671 (2005). 2. J.V. Barth, Annu. Rev. Phys. Chem. 58, 375 (2007). 3. M. Preuss, W.G. Schmidt, and F. Bechstedt, Phys. Rev. Lett. 94, 236102 (2005). 4. L. Cheng, Materials 9, 1016 (2016). 5. N. Saikia, F. Johnson, K. Waters, and R. Pandey, Nanotech- nology 29, 195601 (2018). 6. L. Porte, Int. J. Nanotechnol. 9, 325 (2012). 7. O. Plekan, V. Feyer, N. Tsud, M. Vondráček, V. Cháb, V. Matolín, and K.C. Prince, Surf. Sci. 606, 435 (2012). 8. P.T. Yin, S. Shah, M. Chhowalla, and K.-B. Lee, Chem. Rev. 115, 2483 (2015). 9. S.J. Heerema and C. Dekker, Nature Nanotechnology 11, 127 (2016). 10. T. Zhou, X. Zhou, and D. Xing, Biomaterials 35, 4185 (2014). 11. R.G. Greenler, J. Chem. Phys. 44, 310 (1966). 12. P.R. Griffiths and J.A. de Haseth, Fourier Transform Infrared Spectrometry, Second Edition, Wiley, New York (2007). 13. R.G. Greenler, J. Chem.l Phys. 50, 1963 (1969). 14. А.Ю. Иванов, В. С. Леонтьев, Л.Ф. Белоус, Ю.В. Рубин, В.А. Карачевцев, ФНТ 43, 492 (2017) [Low Temp. Phys. 43, 400 (2017)]. 15. A.Yu. Ivanov, A.M. Plokhotnichenko, E.D. Radchenko, G.G. Sheina, and Yu.P. Blagoi, J. Mol. Struct. 372, 91 (1995). 16. A.Yu. Ivanov and V.A. Karachevtsev, Fiz. Nizk. Temp. 33, 772 (2007) [Low Temp. Phys. 33, 590 (2007)]. 17. A.Yu. Ivanov and A.M. Plokhotnichenko, Instr. Experim. Techn. 52, 308 (2009). 18. R.A. Haefer, Kryo-Vacuumtechnik, Springer-Verlag, Heidelberg (1981). 19. A.A. Granovsky, Firefly, version 7.1G, http://classic.- chem.msu.su/gran/firefly/index.html, (2009). 20. M.W. Schmidt, K.K. Baldridge, J.A. Boatz, S.T. Elbert, M.S. Gordon, J.H. Jensen, S. Koseki, N. Matsunaga, K.A. Nguyen, S. Su, T.L. Windus, M. Dupuis, and J.A. Montgomery, J. Comput. Chem. 14, 1347 (1993). 21. A.Yu. Ivanov, Yu.V. Rubin, S.A. Egupov, L.F. Belous, and V.A. Karachevtsev, Fiz. Nizk. Temp. 39, 704 (2013) [Low Temp. Phys. 39, 546 (2013)]. Low Temperature Physics/Фізика низьких температур, 2018, т. 44, № 11 1557 https://doi.org/10.1038/nature04166 https://doi.org/10.1146/annurev.physchem.56.092503.141259 https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.94.236102 https://doi.org/10.3390/ma9121016 https://doi.org/10.1088/1361-6528/aab0ea https://doi.org/10.1088/1361-6528/aab0ea https://doi.org/10.1504/IJNT.2012.045337 https://doi.org/10.1016/j.susc.2011.11.002 http://pubs.acs.org/author/Yin%2C+Perry+T http://pubs.acs.org/author/Shah%2C+Shreyas http://pubs.acs.org/author/Chhowalla%2C+Manish http://pubs.acs.org/author/Lee%2C+Ki-Bum https://doi.org/10.1038/nnano.2015.307 https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2014.01.044 https://doi.org/10.1063/1.1726462 https://doi.org/10.1002/047010631X https://doi.org/10.1002/047010631X https://doi.org/10.1063/1.1671315 https://doi.org/10.1063/1.4979957 https://doi.org/10.1016/0022-2860(95)08976-4 https://doi.org/10.1063/1.2755193 https://doi.org/10.1134/S0020441209020341 https://doi.org/10.1134/S0020441209020341 https://doi.org/10.1007/978-3-642-49985-2 http://classic.-chem.msu.su/gran/firefly/ http://classic.-chem.msu.su/gran/firefly/ https://doi.org/10.1002/jcc.540141112 https://doi.org/10.1063/1.4811260 https://doi.org/10.1063/1.4811260 А.Ю. Иванов, А.М. Плохотниченко, В.А. Карачевцев 22. А.Ю. Иванов, Ю.В. Рубин, С.А. Егупов, Л.Ф. Белоус, В.А. Карачевцев, ФНТ 40, 1409, (2014) [Low Temp. Phys. 40, 1097 (2014)]. 23. M. Rozenberg, G. Shoham, I. Reva, and R. Fausto, Spectro- chimica Acta Part A 60, 2323 (2004). 24. C. Puzzarini, M. Biczysko, and V. Barone, J. Chem. Theory Comput. 7, 3702 (2011). 25. Н.И. Калитеевский, Волновая оптика, Уч. пособие для ун-тов, Высш. школа, Москва (1978). 26. T. Nakagawa, H. Tanaka, and T. Kawai, Surf. Sci. 370, 144 (1997). 27. S.L. Price and K. S. Wibley, J. Phys. Chem. A 101, 2198 (1997). 28. S.A. Barnett, A.T. Hulme, N. Issa, Th.C. Lewis, L.S. Price, D.A. Tocher, and S.L. Price, New J. Chem. 32, 1761 (2008). ___________________________ Підсилення смуг поглинання в інфрачервоних спектрах низькотемпературних плівок урацилу за допомогою інтерференції О.Ю. Іванов, А.М. Плохотніченко, В.О. Карачевцев Запропоновано експериментальний метод, що дозволяє істотно підсилити смуги в ІЧ спектрах поглинання низькотем- пературних плівок, використовуючи стандартну апаратуру матричної ізоляції. Ефект досягається за рахунок інтерфере- нційного підсилення електромагнітної хвилі при викорис- танні підшару з плівки аргону. В діапазоні 2000–500 см–1 з розділенням 3 см–1 отримані ІЧ фур’є спектри низькотем- пературних плівок молекул урацилу (Ur). При низьких тем- пературах були вирощені тонкі плівки Ur завтовшки близько 0,3 мкм на поверхні плівок аргону товщиною 2,3 та 1,1 мкм. Для першої двошарової структури зареєстровано підсилення в спектральній області 1250–500 см–1, а для другої в діапазо- ні 2000–500 см–1. Завдяки підсиленню, в спектрі низькотем- пературної плівки урацила вперше зареєстровані смуги пог- линання в області позаплощинних деформаційних коливань 1000–500 см–1. Встановлено, що позаплощинні фундамента- льні моди NH груп Ur найбільш чутливі до змін кристалічної структури плівки. Показано, що спектр поглинання відігрітої до кімнатної температури плівки Ur відрізняється від спектру кристала Ur, отриманого з розчину, що свідчить про відмін- ність в їхніх структурах. Ключові слова: основи ДНК, графен, оксид графену, урацил, низькотемпературна матрична ізоляція, квантово-механічні розрахунки, ІЧ фур’є спектроскопія. The enhancement of the absorption bands in the infrared spectra of low-temperature films of uracil with using interference A.Yu. Ivanov, A.M. Plokhotnichenko, and V.A. Karachevtsev The experimental method has been proposed which makes it possible to substantially enhance of the bands in the infrared ab- sorption spectra of low-temperature films by using the standard matrix isolation equipment. The effect is achieved due to the interference amplification of the electromagnetic wave when using an underlayer of argon film. The infrared Fourier spectra of low-temperature films of uracil molecules (Ur) were obtained in the range 2000–500 cm–1 with a resolution of 3 cm–1. At low temperatures, thin Ur films with a thickness of about 0.3µ were grown on the surface of the 2.3 and 1.1µ thick argon films. The gain in the spectral range of 1250–500 cm–1 is recorded for the first bilayer structure, and for the second bilayer structure in the range of 2000–500 cm–1. Owing to the amplification, in the spec- trum of the low-temperature uracil film, the absorption bands were first recorded in the region of the out-of-plane deformation vibrations: 1000–500 cm–1. It is established that the out-of-plane fundamental NH modes of Ur groups are most sensitive to changes in the crystal structure of the film. It is shown that the absorption spectrum of the Ur film heated to room temperature differs from the spectrum of the Ur crystal obtained from the solution, which indicates a difference in their structures. Keywords: DNA bases, graphene, graphene oxide, uracil, low- temperature matrix isolation, quantum-mechanical calculations, FTIR spectroscopy. 1558 Low Temperature Physics/Фізика низьких температур, 2018, т. 44, № 11 https://doi.org/10.1063/1.4904426 https://doi.org/10.1016/j.saa.2003.12.006 https://doi.org/10.1016/j.saa.2003.12.006 https://doi.org/10.1021/ct200552m https://doi.org/10.1021/ct200552m https://doi.org/10.1016/S0039-6028(96)01170-3 https://doi.org/10.1021/jp9629811 https://doi.org/10.1039/b806763e 1. Введение 2. Методы эксперимента и расчетов 3. Результаты и обсуждение 4. Выводы

Ähnliche Einträge