بخشی از مقاله
خلاصه
خواص نوری نانو-ترکیباتی شامل نانو ذرات فلزات نجیب محصور در یک محیط دی الکتریک، مستقیما به دینامیک گرمایی ماده بستگی دارد. به خصوص الکترونهای حرارتی ناشی از جذب لیزرهای پالسی فوق کوتاه، نقش تعیین کنندهای در پاسخ نوری این مواد دارد. بر اثر جذب نور توسط الکترونهای آزاد در زمانهای بسیار کوتاه، در حد چند پیکوثانیه، با توجه به ناچیز بودن ظرفیت گرمایی الکترونهای آزاد فلز، دمای این الکترونها میتواند حتی تا چند هزار کلوین افزایش یابد. پس از این زمان کوتاه، انرژی بر اثر اندرکنش الکترون-فونون به شبکه یونی فلز و سپس به محیط دی الکتریک اطراف منتقل میشود. از طرفی دینامیک گرمایی از یک سو به ابعاد ذرات و از طرف دیگر به تبادل گرمایی بین ذرات وابسته است. در این مقاله دینامیک گرمایی الکترونهای آزاد و شبکه یونی فلز و هم چنین دینامیک گرمایی محیط دی الکتریک تحت تابش پالس لیزری فوق کوتاه پرداخته میشود و اثر ابعاد و فاصله ذرات بر دینامیک گرمایی محیط مورد کنکاش قرار میگیرد. نتایج نشان میدهد با افزایش ابعاد زمان مشخصه سرد شدگی الکترونها کاهش و با افزایش فاصله زمان مشخصه سرد شدگی افزایش مییابد. در این حالت نانو ذرهای از جنس طلا محصور در سیلیکا تحت تابش لیزری در حد فمتوثانیه نشان داد که انتقال حرارتی در حد چند پیکوثانیه اتفاق میافتد.
کلمات کلیدی: خواص نوری، پالس لیزری فوق کوتاه، نانو-ترکیب فلز-دیالکتریک، فلزات نجیب، دینامیک گرمایی.
.1 مقدمه
نانو ذرات فلزی به خصوص نانو ذرات طلا به دلیل خواص منحصر به فرد و کاربردهای بالقوهای که در زمینههای مختلف از جمله پزشکی، تصویر سازی پزشکی، کاتالیستی و حتی نشانگرهای زیستی دارند، مورد توجه قرار گرفتهاند. در این میان، خواص نوری آنها بسیار اهمیت دارد که این نیز به دلیل پلاسمونهای سطحی نانوذرات طلا میباشد. در حقیقت پدیده پلاسمون سطحی به دلیل نوسانات جمعی الکترونهای آزاد نانو ذره طلا میباشد1]و.[2 این امر سبب تشدید خواص نوری در نزدیکی بسامدی به نام بسامد تشدید پلاسمای سطحی میشود. با توجه به این مهم که انرژی فوتونهای لیزر از انرژی بین نواری فلز طلا - ~1.8 ev - کمتر فرض شده است، ابتدا انرژی پالس لیزر توسط الکترونهای آزاد نانو ذره جذب میشود. بنابراین توزیع الکترونهای آزاد از توزیع فرمی- دیراک تبعیت نمیکند [3] که این وضعیت به عنوان رژیم غیر گرمایی شناخته میشود و وابسته به انرژی لیزر و اندازه ذرات است که تا چند صد فمتوثانیه طول میکشد.
بر اثر برهمکنش الکترون- الکترون انرژی جذب شده توسط الکترونهای اولیه در گاز الکترون آزاد باز توزیع میشود و لذا میتوان توزیع انرژی الکترونهای آزاد را پس از این رژیم غیرگرمایی بر حسب یک توزیع فرمی - دیراک با دمای بالاتر از دمای ابتدایی بیان نمود. بر اثر اندرکنش الکترون- فونون انرژی گرمایی به شبکه یونی و سپس از طرف سطح نانو ذره به محیط دی الکتریک منتقل میشود. از سوی دیگر اثرات متقابل گرمایی بین ذرات بر دینامیک سردشدگی نانوذرات موجود در محیط وابسته است. با توجه به این که خواص نوری خطی و غیر خطی بر فرآیندهای گرمایی که در بالا اشاره شد وابسته است، لذا تعیین دینامیک گرمایی نانو ترکیبات فلز- دی الکتریک جهت بررسی پاسخ نوری آنها تحت تابش لیزر پالسی بسیار مهم است3]و.[4 در این مقاله، اثر ابعاد ذرات و فاصله بین آنها بر دینامیک گرمایی محیط مورد توجه قرار گرفته است. بدین ترتیب ابتدا مدل سه دمایی ذکر میشود و سپس چگونگی شبیهسازی دینامیک گرمایی توسط بسته نرمافزاری کامسول به اختصار شرح داده خواهد شد و سپس اثر ابعاد ذرات و فاصله بین ذرات بر تحول زمانی دمای اجزاء نانو ترکیب مورد توجه قرار می-گیرد.
.2 مدل سه دمایی
برای بررسی دینامیک حرارتی نانو ذرات محصور در یک دیالکتریک از مدل سه دمایی استفاده میکنیم. این مدل بر اساس تبادل انرژی بین اجزاء نانو ترکیب فلز- دی الکتریک شامل گاز الکترونی، شبکه یونی و محیط دی الکتریک میباشد. با صرف نظر کردن از رژیم غیر گرمایی، اولین رابطه براساس تحول زمانی مربوط به دمای الکترونهای آزاد است. با صرف نظر کردن از رژیم غیر گرمایی، تحول زمانی دمای الکترون که از یک طرف به جذب نور لیزر و از طرف دیگر به انتقال انرژی به شبکه یونی وابسته است، به صورت زیر بیان میشود:
ه q - r,t - توان شار گرمایی روی سطح ذره است. q به چگونگی انتقال انرژی در محیط دی الکتریک وابسته است. در حقیقت وقتی ابعاد مشخصه - و/یا زمان مشخصه گرمایش - سیستم کوچکتر و یا قابل مقایسه با مسیر آزاد میانگین - و/یا با زمان واهلش - حاملها باشد، قوانین کلاسیک انتقال گرما، که به کمک معادله پخش فوریه بیان میشود، اعتبار خود را از دست میدهد. در چنین مواردی از معادله بولتزمن و یا از تقریب بالستیک- پخش استفاده میشود .[2-4] با صرفنظر
.3 شبیهسازی
جهت محاسبه دینامیک گرمایی نانو ذرات فلزی محصور در دیالکتریک تحت تابش پالس لیزر از بخش انتقال حرارت بسته نرم افزاری Comsol استفاده شد. بدین منظور ذرهای با ابعاد دلخواه در یک محیط دیالکتریک به اندازه کافی بزرگ در نظر گرفته شد. با توجه به اینکه در مدل سه دمایی، از تبادل حرارتی بین الکترونهای آزاد و شبکه یونی فلز و همچنین محیط اطراف مورد استفاده قرار میگیرد، از دو زیر سیستم مطابق شکل - 1 - استفاده شد.
در شکل - - 1 زیر سیستم -1 - الف - شامل گاز الکترونی به شعاع نانو ذره در یک محیطی مجازی به اندازه همان محیط دی الکتریک میباشد. با توجه به این که گاز الکترونی هیچگونه اندرکنش مستقیمی با محیط دیالکتریک اطراف ندارد، ضریب انتقال حرارت برای این محیط مجازی مقدار ناچیز 10-10 W/m2 در نظر گرفته شد. زیر سیستم -1 - ب - شامل ذره فلزی - در اینجا طلا - در یک محیط سیلیس میباشد. از طرفی توان لحظهای جذب شده در واحد حجم Pvol، به عنوان چشمه حرارتی زیر سیستم 1، به صورت یک پالس گوسی در نظر گرفته شد. دامنه و پهنای زمانی این پالس به ترتیب مقادیر1/4× 1021 Wm-3 و 110fs لحاظ شدند که مطابق با مقادیر تجربی نوعی مورد استفاده میباشد.[5]
