بخشی از مقاله
چکیده -
نانوذرات نقره معلق در آب به روش احیاء شیمیایی تهیه گردید و طیف جذبی آن در دماهای مختلف اندازهگیری شد. بدین ترتیب تغییرات طیف جذبی بر حسب دما به دست آمد. بیشترین تغییرات در محدوده تشدید پلاسمای سطحی مشاهده شد. با توجه به نتایج تجربی حاصله و مدلهای بسط داده شده در کارهای قبلیمان، به بررسی اثرات خواص گرما- نوری نقره بر خواص گرما- نوری نانوترکیب پرداختیم. نتایج نشان میدهد که تغییرات گرمایی سهم گذارهای دروننواری تابع دیالکتریک نقره، نقش اصلی را در خواص گرما- نوری نانوترکیب مذکور در محدوده تشدید پلاسمای سطحی را ایفا میکند.
کلید واژه- تشدید پلاسمای سطحی، خواص نوری-گرمایی، تئوری ماکسول-گرنت، نانوکلوئید نقره. کد 160.0160 - PACS
-1 مقدمه
در دهه های اخیر، نانوذرات فلزات نجیب محصور در یک محیط دیالکتریک به علت خواص ویژه نوری خطی و غیرخطی همواره مورد توجه قرار گرفتهاند. این خواص ویژه، ناشی از پدیده تشدید پلاسمای سطحی به علت محدود کردن فلز در ابعاد نانو می باشد که منجر به جذب شدید نور حول و حوش بسامدی تحت عنوان بسامد تشدید پلاسمای سطحی میشود.[1] از یک سو بر اثر جذب انرژی نورانی، دمای محیط افزایش می یابد و از سوی دیگر خواص نوری این نانوترکیبات تحت تغییر دما دستخوش تحول میشود. به همین علت کاربردهای زیادی از جمله در پزشکی جهت درمان بیماری سرطان، تصویربرداری پزشکی از غدد سرطانی و همچنین در ادوات فوتونیکی پیشبینی گردیده است. [2] در این مقاله به خواص نوری-گرمایی نانوذرات نقره محصور در یک محیط دیالکتریک پرداخته میشود. تغییرات خواص نوری نانوترکیبات فلز- دیالکتریک بر اثر دما، به طور مستقیم به خواص نوری-گرمایی مواد تشکیلدهنده، به خصوص خواص نوری-گرمایی فلز مربوط میشود.
-2 سنتز نانوکلوئید نقره
روشهای زیادی برای تولید نانو ذرات فلزات نجیب وجود دارد - روشهای فیزیکی و شیمیایی - . روشهای شیمیایی آسان و مناسب بوده و محلولهای آبی و تجهیزات آسانی را نیاز دارند. روش کلوئیدی که شاخهایی از روشهای شیمیایی میباشد به فرآیند رسوب دهی مرطوب نیز معروف است. نانومواد تولید شده توسط فرآیندهای کلوئیدی شامل فلزات، اکسیدهای فلزی، مواد آلی و دارویی می باشند .در این میان کلوئیدهای فلزی یکی از مواد نانویی بسیار مهمی هستند که خواص اپتیکی آنها بسیار حائز اهمیت می باشد. با استفاده از روش احیای شیمیایی محلول نانوذرات نقره تولید شد و خواص نوری آنها تحت تغییرات دما مورد بررسی قرار گرفت. اندازه و شکل ذرات نیز با استفاده از میکروسکوپ الکترون عبوری - TEM - بررسی شد که متوسط اندازه قطر نانو ذرات 4/5 نانومتر و شکل آنها کروی برآورد شد. پیش از اینکه به خواص نوری-گرمایی این نانوکلوئید بپردازیم، ابتدا به طور مختصر خواص نوری فلزات نجیب را بیان میکنیم.
-3 خواص نوری فلزات نجیب
مدل کلاسیکی که حرکت الکترونها تحت تاثیر میدان الکتریکی را توصیف میکند، مدل الکترون آزاد درود است. در این مدل، الکترونهای رسانش به صورت یک گاز الکترونی در نظر گرفته میشوند که نسبت به بستری از یونهای سنگین و ساکن در حال حرکت میباشند. تابع دیالکتریک مختلط برای مدل درود را به صورت زیر بیان میشود:[3] پلاسمای حجمی میباشد. فلزات نجیب علاوه بر الکترونهای آزاد، الکترون های مقیدی دارند که خواص نوری الکترون آزاد را تحت تاثیر قرار میدهد . پاسخ فلزات نجیب به یک برانگیزش الکترومغناطیس در ناحیه مرئی-فرابنفش را نمیتوان همانند فلزات قلیایی تنها توسط رفتار الکترونهای شبه آزاد - نوار - s-p توصیف نمود، بلکه بایستی تاثیر الکترونهای مقید مشهور به الکترونهای نوار d را هم به حساب آورد. بنابراین، تابع دیالکتریک کل، ~m ، فلزات نجیب را میتوان به صورت دو جمله نوشت، یکی مربوط به گذارهای الکترونی در محدودهی نوار رسانش - گذارهای دروننواری - و دیگری مربوط به گذارهای نوار ظرفیت به نوار رسانش - گذارهای بیننواری - است[4]، گذار بیننواری و سهم گذار دروننواری است. تحت تغییرات دما، مقادیر هر یک از این سهمها در تابع دیالکتریک نیز تغییر میکند.
-4 جذب نانوکلوئید نقره در دماهای مختلف
پس از سنتز نانوکلوئید نقره، از نمونه در دمای 300 K و 344 K طیف UV گرفتیم. در شکل 1 جذب این نانوکلوئید در دو دما آورده شده است. همانطور که مشاهده میشود با افزایش دما ارتفاع قله جذب کاهش یافته و طول موج تشدید پلاسمای سطحی به سمت طول موج آبی جابهجا میشود. لازم به ذکر است که پهنای جذب در این حالت تغییر محسوسی از خود نشان نمیدهد.
-5 خواص گرما- نوری نانوکلوئید نقره
در این بخش به بررسی نظری خواص نوری-گرمایی نانوکلوئید نقره میپردازیم. به همین جهت لازم است ابتدا جذب نانوکلوئید نقره را در دمای محیط شبیهسازی نماییم. بدین منظور از مدل ماکسول-گرنت بهره میجوییم، بر اساس این مدل تابع دیالکتریک موثر برای مواد نانوترکیبی به صورت زیر قابل محاسبه است[5]، مدل ماکسول-گرنت در نظر می گیریم. در رابطه 2، از مقادیر تجربی برای سهم بیننواری استفاده کردیم [6]، و سهم درون نواری را به صورت رابطه درود به آن افزودیم. از آنجایی که ضریب میرایی به عوامل مختلفی از جمله به نحوه سنتز نانوذرات و اندازه آنها بستگی دارد در نتیجه مقادیر متفاوتی میتواند داشته باشد، در نتیجه آن را به صورت پارامتر آزاد در رابطه درود در نظر میگیریم. همچنین مقدار p 8/98 eV را قرار میدهیم که مربوط به حالت حجمی نقره میباشد. کسر حجمی نانوذرات فلزی را نیز به صورت پارامتر قابل تغییر در مدل ماکسول-گرنت در نظر میگیریم. مقادیر و p را به ترتیب 5/95×10- 1 eV و 1/82×10-6 بدست آوردیم که مقدار بدست آمده برای p توافق خوبی با کسر حجمی نانوذرات نقره معلق در آب دارد. برای محاسبه خواص نوری-گرمایی این نانوکلوئید به تغییرات دمایی پارامترهای مدل ماکسول-گرنت نیازمندیم . با داشتن تغییرات دمایی این پارامترها و با توجه به رابطه زیر، میتوان مقدار این پارامترها را در دمای بالاتر از محیط محاسبه نماییم،
