Ученые Уральского федерального университета и Уральского отделения РАН впервые синтезировали плазмонные наночастицы меди в оптической керамике. Для этого был использован метод импульсной ионной имплантации — бомбардировка ускоренными ионами меди оптически прозрачной матрицы алюмомагниевой шпинели MgAl2O4.
Фото: Reuters
Фото: Reuters
Эксперименты ученых УрФУ и УрО РАН позволили установить, что плазмонные наночастицы меди, внедренные в поверхностные слои ионно-имплантированной керамики алюмомагниевой шпинели, проявляют уникальные свойства. О сути работы рассказал сотрудник научно-исследовательской лаборатории (НИЛ) «Физика функциональных материалов углеродной опто- и микроэлектроники» УрФУ Арсений Киряков.
«Ионы, разогнанные до высоких энергий — в нашем случае это 30 килоэлектронвольт,— проникая на глубину порядка десятков нанометров в приповерхностный слой материала-мишени, способны с легкостью разрывать ее молекулярные связи. Поэтому в нашей работе впервые в качестве матрицы для синтеза плазмонных наночастиц выбрана оптическая керамика на основе сложного оксида алюминия-магния MgAl2O4. Наряду с оптической прозрачностью в широком спектральном диапазоне данные керамики обладают повышенной стойкостью к воздействию излучений, что позволяет эксплуатировать полученный материал в интенсивных радиационных полях»,— говорит Арсений Киряков.
При определенных режимах имплантации, продолжает Арсений Киряков, в прозрачной керамике алюмомагниевой шпинели формируются наноструктуры типа «ядро—оболочка», где в качестве ядра выступает металлическая наночастица меди, а оболочкой служит оксидный слой. Такие наноструктуры обладают плазмонными характеристиками: при совпадении частот колебаний «поверхностных» электронов с частотой электромагнитного излучения, падающего на поверхность облучаемого материала, происходит резонансное поглощение фотонов с возникновением новых квазичастиц, плазмонов — квантов колебаний электронного газа в твердом теле, которые распространяются в поверхностном слое материала матрицы. Посредством плазмон-фотонного взаимодействия с керамической матрицей квазичастицы обеспечивают проявление многих интересных физических явлений — например, формирование сильных электрических полей вблизи плазмонных наночастиц, усиление колебаний атомов, известное как SERS (surface induced Raman scattering), и др. Данные эффекты могут быть использованы для повышения конверсионно-энергетических характеристик солнечных элементов, для усиления квантового выхода микроскопических источников света и чувствительности фотодетекторов.
Наиболее пригодны для получения плазмонных наночастиц химические элементы, относящиеся к группе благородных металлов: золото, платина, серебро и т. д. Физики УрФУ и УрО РАН выбрали для бомбардировки оптической керамики медь. Главная причина такого выбора — малый потенциал окисления, позволяющий эффективно формировать наночастицы в металлическом состоянии. Важным фактором также послужило то, что частота плазмонного резонанса меди лежит в видимой части оптического спектра. В то же время для большинства других металлов частота плазмонного резонанса находится в ультрафиолетовом диапазоне, что по ряду причин не позволяет реализовать оптимальные функциональные свойства плазмонных наночастиц в структуре керамической матрицы. Кроме того, немаловажно, что медь дешевле золота или серебра.
«Нестандартная идея формирования плазмонных структур благородных металлов в оптической нанокерамике предложена руководителем работы, возглавляющим НИЛ “Физика функциональных материалов углеродной микро- и оптоэлектроники” Анатолием Зацепиным. В ходе исследований лаборатория активно сотрудничала с коллегами из Лаборатории пучков частиц Института электрофизики УрО РАН, руководитель — член-корреспондент РАН Николай Гаврилов. Это пионерский проект для науки Урало-Сибирского региона»,— подчеркивает Арсений Киряков.
Полученный новый материал представляет интерес для квантовых технологий (при создании новейших устройств оптоэлектроники и фотоники, в частности в однофотонных источниках и детекторах, необходимых для использования в квантовых компьютерах и других перспективных функциональных устройствах). Такие материалы могут быть использованы для создания нового поколения твердотельных лазеров, светодиодов, фоточувствительных сенсоров, высокоэффективных конверторов излучений, оптических датчиков и нанолюминофоров.
Научные исследования по данному направлению осуществляются при поддержке гранта РФФИ № 20–42–660012.
Использованы материалы статьи Structural and electron-optical properties of transparent nanocrystalline MgAl2O4 spinel implanted with copper ions; A. F. Zatsepin, A. N. Kiryakov, D. A. Zatsepin Yu. V. Shchapova, N. V. Gavrilov; Journal of Alloys and Compounds, сентябрь 2020