Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,931

СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ ГИБРИДНЫХ С-AU-AG НАНОЧАСТИЦ

Киреев А.А. 1 Ольшин П.К. 1 Колесников И.Е. 1 Михайлов М.Д. 2 Поволоцкий А.В. 1 Поволоцкая А.В. 1 Маньшина А.А. 1
1 ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет»
2 ООО "АтомТяжМаш"
Методом лазерного осаждения из жидкой фазы проведен синтез гибридных наночастиц С-Au-Ag. В каче-стве исходного материала для синтеза использовался раствор гетерометаллического комплекса [Au12Ag12(C2Ph)18Br3(PPh2(C6H4)3PPh2)3](PF6)3 в дихлорэтане. Исследованы физико-химические свойства полученных гибридных наноструктур. Изучено влияние времени лазерного воздействия на размер и морфологию формируемых частиц. Обнаружено, что увеличение времени воздействия лазерного излуче-ния на раствор гетерометаллического комплекса приводит к образованию более плотной упаковки ги-бридных наноструктурированных материалов, при этом существенно не влияет на размер формируемых частиц. Из анализа микрофотографий построено распределение синтезированных наночастиц по разме-рам и определен средний размер наночастиц D=(22±4) нм. На основе спектров энергетической дисперсии показано, что осажденные структуры состоят из гетерометаллических Au-Ag наночастиц, внедренных в углеродную матрицу. Получена зависимость положения пика плазмонного резонанса гибридных нано-структурированных материалов от времени лазерного воздействия.
C-Au-Ag
лазерное осаждение
гибридные наночастицы
1. Koshevoy I., Karttunen A.J., Shakirova J.R., Melnikov A.S., Haukka M., Tunik S.P. and Pakkanen T.A.. Halide-directed assembly of multicomponent systems: Highly ordered Au I-AgI molecular aggregates // Angewandte Chemie - International Edition. — 2010. - Vol. 49. — P. 8864-8866.
2. Manshina A., Ivanova T., Povolotskiy A.. Laser-induced deposition of hetero-metallic struc-tures from liquid phase // Laser Physics. — 2010. - Vol. 20, Issue 6. — P. 1532-1536.
3. Manshina A., Povolotskiy A., Ivanova T., Kurochkin A., Tveryanovich Y., Kim D., Kim M., Kwon S.C.. CuCl2-based liquid electrolyte precursor for laser-induced metal deposition // Laser Physics Letters. — 2007. - Vol. 4, Issue 3. — P. 242-246.
4. Manshina A.A., Povolotskiy A.V., Ivanova T.Y., Tveryanovich Y.S., Tunik S.P., Kim D., Kim M., Kwon S.C. Effect of salt precursor on laser-assisted copper deposition // Applied Physics A: Materials Science and Processing. — 2007. - Vol. 89, Issue 3. — P. 755-759.
5. Manshina A.A., Povolotskiy A.V., Povolotskaya A.V., Ivanova T.Y., Koshevoy I.O., Tunik S.P., Suvanto M., Pakkanen T.A. Laser-induced heterometallic phase deposition from solutions of supramolecular complexes // Surface & Coatings Technology. — 2012. - Vol. 206. — P. 3454–3458.
6. Paul K. Chu, Liuhe Li. Characterization of amorphous and nanocrystalline carbon films // Ma-terials Chemistry and Physics. — 2006. - Vol. 96. — P. 253–277.

Введение

В последние десятилетия стремительно развиваются исследования в области физики и химии низкоразмерных структур. Сложные наноcтруктурированные среды являются объектом возрастающего интереса для фундаментальной и прикладной науки из-за того, что с уменьшением характерных размеров их структурных единиц до наноуровня они часто приобретают новые уникальные свойства, обусловленные квантово-размерными эффектами и возрастающей ролью поверхностных атомов и взаимодействий. Пристальный интерес к этой интенсивно развивающейся области современной науки связан как с принципиально новыми фундаментальными научными проблемами и физическими явлениями, так и с перспективами создания на основе уже открытых явлений совершенно новых устройств и систем с широкими функциональными возможностями для опто- и наноэлектроники, биоинженерии, контроля качества охраны окружающей среды. Среди исследуемых наночастиц особое место занимают металлические наночастицы [3; 4], а также их ансамбли [2; 5], расположенные как на диэлектрических и полупроводниковых подложках, так и синтезируемые в различных полимерных и углеродных матрицах в виде пленок и/или наночастиц.

Данная работа посвящена созданию и исследованию гибридных С-Au-Ag наночастиц на поверхности диэлектрических подложек при помощи метода лазерного осаждения из раствора [2-5].

Экспериментальная часть

Гибридные наночастицы С-Au-Ag были синтезированы методом лазерно-индуцированного осаждения из раствора. Упрощенная схема установки для синтеза представлена на рисунке 1. В качестве источника лазерного излучения использовался гелий-кадмиевый лазер (He-Cd) с длиной волны 325 нм, работающий в непрерывном режиме. Формирование гетерометаллических структур выполнялось следующим образом: свежеприготовленный раствор исследуемого комплекса помещался в кювету объемом 0.3 мл, затем кювета накрывалась подложкой, на которой происходил процесс лазерно-индуцированного осаждения. В качестве подложки использовалось оксидное стекло (покровное стекло микроскопа) размером 24×24×0,17 мм и стекло с покрытием оксида индия-олова толщиной 150 нм.

Рисунок 1 – Схема установки для лазерно-индуцированного синтеза из раствора

1 – He-Cd лазер (λ=325нм); 2 – поворотные зеркала; 3 – кювета с раствором комплекса

Для проведения лазерно-индуцированного синтеза гибридных наноструктурированных материалов в качестве исходного материала использовался гетерометаллический комплекс, обладающий люминесцентными свойствами и способностью к образованию наночастиц в результате фотоиндуцированных процессов. В результате взаимодействия лазерного излучения с гетерометаллическим комплексом развиваются два конкурирующих процесса: процессы люминесценции и фотоиндуцированная реакция, приводящая к разрушению комплекса и образованию наночастиц сложного компонентного состава. Супрамолекулярный комплекс [Au12Ag12(C2Ph)18Br3(PPh2(C6H4)3PPh2)3](PF6)3 обладает низким квантовым выходом люминесценции [1], следовательно, в результате взаимодействия света с раствором комплекса будут доминировать фотохимические процессы, приводящие к его трансформации и позволяющие получать наиболее качественные и эффективные гибридные наноструктурированные материалы. Поэтому для проведения лазерно-индуцированного синтеза гибридных наноструктурированных материалов из раствора использовался гетерометаллический комплекс [Au12Ag12(C2Ph)18Br3(PPh2(C6H4)3PPh2)3](PF6)3 (C23AgBr). Структурная формула представлена на рисунке 2. В таблице 1 приведены основные физико-химические свойства гетерометаллического комплекса.

Описание: 4_1,Описание: 4_2

Рисунок 2 – Изображение супрамолекулы гетерометаллического комплекса

Таблица 1. Основные физико-химические свойства гетерометаллического комплекса [2]

Брутто-формула

C286H223Ag12Au12F18Br3O5P9

Молекулярная масса М, а.е.м.

8258

Температура кипения Тк, oC

197

Плотность ρ, г/см3

2,05

Сингония

моноклинная

Пространственная группа симметрии

P21/c

Морфология и состав осажденных структур исследовались с помощью сканирующего электронного микроскопа Zeiss Supra 40VP, оснащенного спектрометром энергетической дисперсии Oxford Instruments INCAx-act. Измерение спектров поглощения полученных гибридных наноструктурированных материалов проводилось с использованием прецизионного спектрофотометра Lambda 1050 (Perkin Elmer), оснащенного приставкой для измерения коэффициента отражения UV/Vis/NiR URA. Измерения комбинационного рассеяния света (КРС) проводились с использованием спектрометра SENTERRA (Bruker), в котором спектрометр комбинационного рассеяния объединен с конфокальным микроскопом.

Результаты эксперимента и их обсуждение

На рисунке 3 представлены микрофотографии гибридных наноструктурированных материалов, полученных при различном времени лазерного воздействия.

Безымянный-1

Рисунок 3 – Микрофотография гибридных наноструктурированных материалов, полученных из гетерометаллического комплекса (время воздействия лазерным излучением 1 мин слева, 10 мин справа)

Как видно рисунка 3, увеличение времени воздействия лазерного излучения на раствор гетерометаллического комплекса приводит к образованию более плотной упаковки гибридных наноструктурированных материалов, при этом существенно не влияет на размер формируемых частиц. Полученные подложки с наночастицами обладают пористой структурой. Число формируемых наночастиц на 1 мкм2 существенно превышает 100. Из анализа полученных микрофотографий было определено распределение наночастиц по размерам (рисунок 4).

Описание: E:\содержание.jpg

Рисунок 4 – Распределение синтезированных наночастиц по размерам

Из рисунка 4 видно, что в результате синтеза получаются монодисперсные наночастицы со средним размером D=(22±4) нм.

Для осажденных структур были измерены спектры энергетической дисперсии. На рисунке 5 приведен спектр энергетической дисперсии, полученный для структуры, осажденной на диэлектрическую подложку при воздействии лазерным излучением в течение 10 минут. Из рисунка 5 видно, что гибридные наноструктурированные материалы состоят из Au и Ag и C. Остальные полосы соответствую элементам, входящим в состав подложки.

Рисунок 5 – Спектр энергетической дисперсии гибридных наночастиц

На рисунке 6 представлены спектры поглощения гибридных наноструктурированных материалов в зависимости от времени воздействия лазерного излучения. Спектры поглощения A рассчитывались исходя из измеренных спектров пропускания T и отражения R согласно формуле: A = 100 – T – R. Широкая полоса в спектре поглощения появляется из-за поглощения света наночастицами. Как видно из рисунка, увеличение времени лазерного воздействия приводит к смещению положения пика в красную область спектра.

Описание: E:\поглощение.jpg

Рисунок 6 – Спектр поглощения гибридных наноструктурированных материалов

На рисунке 7 приведен спектр КРС, полученный для структуры, осажденной на подложку под воздействием лазерного излучения в течение 10 минут. Острые пики в области 1000, 1180 и 1600 см-1 соответствуют полосам КРС используемого гетерометаллического комплекса. Отжиг осажденных гибридных наночастиц при температуре 200 °С позволил разрушить остатки гетерометаллического комплекса, адсорбированного на наночастицах. Как видно из спектров КРС, отожженные гибридные наночастицы имеют характеристические полосы в области 1180, 1480 и 1600 см-1, что соответствует типичным полосам КРС аморфного углерода [6].

Рисунок 7 – Спектр КРС гибридных наноструктурированных материалов

Выводы

В статье продемонстрирована возможность лазерно-индуцированного осаждения гетерометаллических структур Au-Ag инкапсулированных в углеродную матрицу из растворов супрамолекулярных комплексов.

Полученные гибридные наноструктуры исследованы при помощи электронной сканирующей микроскопии, изучены физико-химические свойства (в том числе геометрические параметры, морфология, состав). На основе спектров энергетической дисперсии (EDX-анализ) показано, что осажденные структуры состоят из C-Au-Ag фазы. Получена зависимость положения пика плазмонного резонанса гибридных наноструктурированных материалов от времени облучения при синтезе. Обнаружено, что при увеличении времени облучения происходит смещение плазмонного резонанса в красную область. На основе анализа спектров КРС сделан вывод, что полученные гибридные наночастицы имеют характеристические полосы, соответствующие типичным полосам КРС аморфного углерода.

Экспериментальные исследования проведены в ресурсном центре СПбГУ «Оптические и лазерные методы исследования вещества» и «Междисциплинарном Ресурсном Центре по направлению "Нанотехнологии"»

Работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках Государственного контракта № 14.513.11.0079.

Рецензенты:

Дунаев А. А., д.т.н., профессор, заместитель начальника отдела кристаллических материалов, ОАО НИТИОМ ВНЦ «ГОИ им. С.И. Вавилова», г. Санкт-Петербург.

Соколов И.А., д.х.н., профессор, кафедра лазерной химии и лазерного материаловедения, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет», г. Санкт-Петербург.


Библиографическая ссылка

Киреев А.А., Ольшин П.К., Колесников И.Е., Михайлов М.Д., Поволоцкий А.В., Поволоцкая А.В., Маньшина А.А. СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ ГИБРИДНЫХ С-AU-AG НАНОЧАСТИЦ // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 4.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=9979 (дата обращения: 21.01.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074