Методы получения оптических материалов с наночастицами

Как уже было сказано, обсуждаемые в данной работе оптические материалы представляют собой твердую аморфную матрицу с заключенными в ней наночастицами. Здесь мы не будем затрагивать вопросы получения отдельных наночастиц [1] ни самих матриц [3], поскольку они требуют специального детального рассмотрения.

Метод добавления частиц к расплаву

Самый старый метод получения данных материалов состоит в добавлении уже готовых частиц к расплаву. Хотя этот метод является в некоторой степени универсальным, он имеет ряд существенных недостатков, например, сложно управлять свойствами стекла, зависящими от степени агрегированнсти частиц [1]. Кроме того, необходимо, чтобы при добавлении к расплаву не происходило нежелательных изменений в частицах вплоть до их полного исчезновения вследствие химических взаимодействий и высоких температур. Поэтому были раз­работаны способы, позволяющие формировать наночастицы в самой матрице.

Метод ионной имплантации

Находящаяся под строгим температурным контролем, подложка, которая может быть, например, стеклом, кристаллом или полимером [8], обрабатывается ионным пучком, состоящим из атомов имплантируемого металла с энергиями от 10 кэВ до 10 МэВ. В зависимости от параметров, таких как энергия иона, доза, ионный ток и температура облучаемой мишени, можно варьировать условия синтеза металлических наночастиц. Этот метод позволяет синтезировать композиционные слои с наночастицами металла, характеризующиеся высокими факторами заполнения металлом при узкой функции распределения данных частиц по размерам при сохранении малого размера самих частиц [5, 6]

Преимущества:

1. возможность внедрения примеси практически любого металла в субстрат сверх равновесного значения, поэтому в качестве субстрата можно использовать и те вещества, в которые примеси практически не вводятся, например, в кварцевое стекло;

2. технологичность;

3. эффективность;

4. метод является управляемым, т.е. можно контролировать параметры наночастиц, а так же их распределение в матрице.

Недостатки:

1. статистически неоднородная глубина проникновения внедряемых ионов в материал, и как следствие - различия в концентрации примесных атомов от слоя к слою в приповерхностной области образца;

2. имеется распределение по размерам синтезируемых наночастиц не только в плоскости, параллельной облучаемой поверхности, но в значительной степени и по глубине мишени, что оказывает определяющее влияние на оптические характеристики формируемых имплантацией композиционных материалов. [7]

Метод ионного обмена

Для внедрения металличес­ких частиц в стекло используется также ионный обмен. На рис.4 показана экспериментальная установка для вве­дения частиц серебра в стекло путем ионного обмена. Одновалентные при­поверхностные атомы, например, натрий, присутствующий в приповерх­ностных слоях во всех стеклах, замеща­ется другими ионами, например сереб­ром. Для этого стеклянная основа по­мещается в расплав соли, находящийся между электродами, к которым приложено напряжение указанной на рис.4 полярности. Ионы натрия в стекле диффундируют к отрицательному электроду, а серебро диффундирует из серебросодержащего электролита на поверхность. [1]

Метод получения металлических наночастиц в прозрачной матрице с использованием фемтосекундного лазера.

Перечисленные выше методы не дают возможности полного контроля над положением наночастиц в трех измерениях, что является крайне востребованным в оптоэлектронных устройствах и терагерцовых переключателях. Рассмотрим сравнительно новую модификацию метода, при котором металлические наночастицы образуются вследствие облучения материала, содержащего ионы металла (Ag, Au), светом. Этот способ позволяет в полной мере управлять пространственным распределением металлических наночастиц в прозрачной матрице. Сначала матрицу (стекло) с заранее введенными в ее состав ионами металла (например в виде оксидов) подвергают локальным (заданным) воздействиям излучения фемтосекундного лазера, при этом происходит превращение Ме⁺→Ме⁰. Затем образец выдерживают при высокой температуре, и при этом происходит объединение атомов металла в наночастицы. Управляя лазерным лучом можно добиться желаемого распределения и размера частиц в материале. [13]