Исследование новых типов наноматериалов на основе наночастиц платины в матрице диоксида кремния

Внедрение: 2021 г.

Целью настоящей работы [1] является формирование и оптическое исследование новых типов наноматериалов на основе наночастиц Pt в матрице SiO₂. Особенностью предлагаемой автором оригинальной технологии синтеза наночастицы Pt в диэлектрической матрице является стимулирующее соосаждение металла и диэлектрика с помощью ионов в среде инертного газа, которая основана на известном испытанном методе получения тонких углеродных нанопленок, легированных металлическими примесями. Основная идея этой технологии – нанесение на подложку: материал, выбранный из мишеней, облучался и одновременно распылялся низкоэнергетическими ускоренными ионами инертного газа.

Для синтеза наночастицы Pt использовалось оригинальное вакуумное оборудование для ионно-стимулирующего соосаждения тонких пленок однородного химического состава, модифицированное для создания композиционных многокомпонентных материалов. Распыление ионами Xe мишени Pt на подложке из кварцевого стекла проводилось в вакууме 10^-3 Па. При формировании матричной пленки SiO₂ для наночастицы Pt из стеклянной мишени газ O₂ подавался в локальную область вакуумной камеры близко к поверхности подложки. В результате осаждения была получена пленка Pt:SiO₂ толщиной 150 нм.

Структуру композитных пленок изучали с помощью растрового электронного микроскопа (SEM) Auriga (Carl Zeiss), а для микродифракционного анализа использовали просвечивающий электронный микроскоп (TEM) Libra 120 (Carl Zeiss). Спектры оптического пропускания измеряли на спектрометре AvaSpec-2048 (Avantes) в спектральном диапазоне от 250 до 1125 нм.

Для измерения нелинейно-оптического поглощения пленки Pt:SiO₂ применялась методика однолучевого Z-сканирования. В качестве источника зондирующего излучения использовался лазер LQ‑129 (Solar) на кристалле YAG:Nd. Оптические сигналы (опорные и после прохождения образцов) регистрировались фотодиодами и измерялись модулем АЦП E20‑10. Величина нормализованного пропускания T(z) (координата z измеряется относительно положения фокуса линзы) определялась соотношением сигналов от соответствующих фотодиодов, а затем усреднялась в каждой точке по измерениям для 1000 лазерных импульсов.

СЭМ-изображение поверхности образца Pt:SiO₂, сформированной ионно-стимулирующим осаждением, показано на рисунке 1.

Рисунок 1. СЭМ-изображение поверхности образца Pt:SiO₂, сформированной ионно-стимулирующим осаждением.

Из рисунка 1 видно, что в матричном слое SiO₂ (светло-серый цвет) присутствуют темные сферические включения, которые заметно отличаются от SiO₂ по плотности вещества. Из возможных материалов различного химического состава эти темные пятна можно интерпретировать как наночастицы любого силицида Pt. Как следует из гистограммы распределения по размерам для этих наночастиц, их средний размер составляет 20 нм (рисунок 2).

Рисунок 2. Гистограмма распределения наночастиц по размерам в образце Pt:SiO₂.

Спектры оптического пропускания образца Pt:SiO₂ представлены на рисунке 3.

Рисунок 3. Спектры оптического пропускания: 1 – SiO₂; 2 – образец Pt:SiO₂.

Экспериментальная зависимость T(z) для слоя SiO₂ с наночастицами Pt при длине волны зондирующего лазера 1064 нм представлена на рисунке 4.

Рисунок 4. Изменение T(z) композитной пленки Pt:SiO2 в зависимости от положения образца относительно фокуса линзы (z = 0) при Z-сканировании по схеме без апертуры (точки) и расчетной аппроксимации T(z).

В результате проведённых исследований методами электронной микроскопии и микродифракции показано, что при осаждении были синтезированы наночастицы Pt в SiO₂. Измерено оптическое поглощение синтезированной композитной наносистемы. Методом Z-сканирования было обнаружено, что при лазерном зондировании образца наносекундными импульсами на длине волны 1064 нм регистрировалось положительное нелинейно-оптическое поглощение, которое характеризовалось коэффициентом
2,9·10^-7 м/Вт.

Источник:
Stepanov, Andrey. (2021). Ion-assisted stimulating deposition of Pt nanoparticles in SiO₂ and optical properties. Applied Physics A. 127. 10.1007/s00339-021-04789-y.

Разработчик: Степанов А.Л. (ФИЦ «КазНЦ РАН», Физико-технический институт им. Е.К. Завойского, г. Казань)