Реферат: Фотопроцессы индуцированные лазерным излучением в растворах и пленках наночастиц CdSeZnS
5. Экспериментально обнаружено коротковолновое крыло в спектрах люминесценции наночастиц CdSe/ZnS при их лазерном возбуждении на первый уровень размерного квантования. Предложен механизм данного явления, заключающийся в преимущественном возбуждении лазерным излучением наночастиц малого размера
6. Впервые проведено исследование режимов воздействия мощного лазерного излучения видимого диапазона на пленки с высокой концентрацией наночастиц CdSe/ZnS. Показано, что пленки наночастиц размером 4 нм толщиной менее 20 нм стабильны при импульсно-периодическом воздействии лазерного излучения с l = 532 нм наносекундной длительности с плотностью мощности излучения меньшей, чем 1×107 Вт/см2 .
7. Впервые разработаны и исследованы люминесцентные порошки, активированные наночастицами CdSe/ZnS различных размеров. Показана возможность эффективного использования полученных порошков для лазерно-люминесцентных дактилоскопических экспертиз.
Практическая значимость полученных результатов.
Значимость работы обусловлена современным уровнем проведения эксперимента, а также использованием комплексной методики исследований, включающей атомно-силовую микроскопию, просвечивающую электронную микроскопию, лазерно индуцированную люминесценцию, лазерную интерферометрию. Практическая ценность работы в первую очередь определяется большим интересом к исследованию полупроводниковых наночастиц CdSe/ZnS, в особенности их конденсатов, с точки зрения создания новых лазеров, сенсоров, оптоэлектронных приборов.
В работе получены пленки с высокой концентрацией наночастиц, в которых сохраняется эффект размерного квантования, обладающие высокой лучевой стойкостью. Исследованы режимы воздействия мощного лазерного излучения на пленки с высокой концентрацией наночастиц. Показано, что взаимодействие наночастиц размером 4 нм в пленках с высокой концентрацией приводит к значительному красному сдвигу спектров поглощения и люминесценции без увеличения их ширины. Предложен механизм взаимодействия наночастиц, заключающийся во взаимодействии дипольных моментов, обусловленных асимметрией наночастиц. Данные результаты интересны с точки зрения понимания процессов взаимодействия наночастиц в пленках, в том числе под воздействием мощного лазерного излучения. Изучение процессов лазерного испарения пленок наночастиц открывает возможность создания различных поверхностных структур из наночастиц с использованием лазерной абляции. Кроме того, открывается перспектива лазерного напыления пленок наночастиц.
Впервые проведено сравнение люминесцентных свойств наночастиц с красителями родаминового ряда в растворе и в конденсированной фазе. Показано, что в конденсированной фазе квантовый выход люминесценции наночастиц на два порядка превышает квантовый выход красителей. Таким образом, несмотря на наличие взаимодействия, наночастицы даже в пленках с высокой концентрацией сохраняют большинство своих индивидуальных свойств. Показана перспективность использования наночастиц для создания твердофазных люминофоров. Впервые разработаны и исследованы люминесцентные порошки, активированные наночастицами CdSe/ZnS разных размеров. Показана возможность эффективного применения полученных порошков для лазерно-люминесцентных дактилоскопических экспертиз.
Впервые проведено комплексное исследование антистоксовой люминесценции наночастиц CdSe/ZnS в растворе и в конденсированной фазе. Показано, что механизм антистоксовой люминесценции наночастиц является чисто тепловым. Данный результат позволяет разрешить противоречия, существующие в интерпретации механизма антистоксовой люминесценции. Кроме того, открывается перспектива использования антистоксовой люминесценции для мониторинга нагрева наночастиц при мощном лазерном воздействии.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Получены и исследованы пленки наночастиц CdSe/ZnS размером 4 нм с концентрацией на уровне 1×1019 см-3 , в которых сохраняется эффект размерного квантования. Показано, что фотофизические свойства полученных пленок остаются неизменными при воздействии наносекундных импульсов лазерного излучения с длиной волны 532 нм и плотностью мощности до 1×106 Вт/см2 .
2. Обнаружено, что при переходе от раствора наночастиц CdSe/ZnS к пленкам с высокой концентрацией наблюдается значительный сдвиг положения максимумов поглощения и люминесценции (до 50 нм) без изменения их ширины.
3. Проведено сравнение люминесцентных свойств наночастиц CdSe/ZnS и органических красителей родаминового ряда в растворе и в конденсированном состоянии. Экспериментально показано, что квантовый выход люминесценции пленок наночастиц превосходит квантовый выход люминесценции пленок красителя на два порядка.
4. Показано, что при возбуждении наночастиц CdSe/ZnS на первый уровень размерного квантования в спектрах фотолюминесценции в растворе наблюдается коротковолновое крыло. Предложен механизм, согласно которому наличие крыла объясняется преимущественным возбуждением фракции наночастиц малого размера лазерным излучением.
5. Впервые проведено комплексное исследование антистоксовой люминесценции наночастиц в растворе и в конденсированном состоянии в широком диапазоне плотностей мощности возбуждающего излучения и температур. Экспериментально показано, что механизм антистоксовой люминесценции наночастиц в растворе является чисто тепловым.
6. Впервые разработаны люминесцентные порошки, активированные наночастицами CdSe/ZnS. Проведено сравнение люминесцентных свойств полученных порошков и аналогичных порошков, активированных органическими красителями. Показана принципиальная возможность использования разработанных порошков в лазерно-люминесцентных дактилоскопических исследованиях и экспертизах.
Апробация работы и публикации.
Результаты работы докладывались на следующих конференциях: Международная конференция “Лазерная физика и применения лазеров”, Минск, 2003; Международные конференции “Фундаментальные проблемы оптики”: ФПО-2004 и ФПО-2006, С.-Петербург; VII Всероссийская конференция “Физикохимия ультрадисперсных (нано-) систем”, Ершово, 2005; VI Международная конференция «Лазерная физика и оптические технологии», 2006, Гродно; Научные сессии МИФИ 2004 – 2006.
По теме диссертации опубликовано 11 работ, из них 9 – тезисы конференций. Список публикаций прилагается в конце автореферата.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из 5 глав, объем диссертации - 152 страницы, включая 64 рисунка, приложение с 3 иллюстрациями и библиографию из 95 наименований.
Содержание работы
Первая глава состоит из 6 разделов, в которых содержится обоснование темы диссертационной работы, а также литературный обзор современных подходов к проблематике и основные результаты, полученные ранее.
Вторая глава (“Экспериментальная установка и методика исследований”) состоит из 4 разделов, в которых содержится описание лазерного флюориметра, использованного в работе, методики получения наночастиц CdSe/ZnS и пленок с высокой концентрацией наночастиц, а также описание специально разработанной методики лазерной интерферометрии для контроля толщины и однородности полученных пленок и для исследования режимов воздействия мощного лазерного излучения на пленки наночастиц. Отдельно приводится описание методики получения люминесцентных порошков, активированных наночастицами CdSe/ZnS, и методики регистрации и обработки люминесцентных изображений, использованной для выявления скрытых следов пальцев рук.
Возбуждение люминесценции наночастиц проводилось излучением второй гармоники неодимового лазера (l = 532 нм, длительность импульсов 40 нс, частота следования импульсов 50 Гц, плотность мощности излучения варьировалась в пределах от 1.6 Вт/см2 до 1×109 Вт/см2 ). Также использовалось излучение лазера на парах меди (длины волн 510 нм и 578 нм, плотность мощности излучения 1×105 Вт/см2 и 2×104 Вт/см2 , соответственно, длительность импульсов 10 нс, частота следования импульсов 16 кГц). Исследуемые образцы помещались в оптическую камеру криостата, что позволяло проводить исследования в диапазоне температур от 135 К до 300 К.
Для исследования режимов воздействия мощного лазерного излучения на пленки наночастиц CdSe/ZnS была разработана методика лазерной интерферометрии, позволявшая контролировать изменение толщины и нагрев пленок под действием лазерного излучения. Также данная методика применялась для измерения толщины пленок и контроля их однородности. Кроме того, толщина пленок контролировалась методом атомно-силовой микроскопии (использовался микроскоп Solver P47-PRO).
Наночастицы CdSe/ZnS были получены методом химического синтеза из металлоорганических соединений [2]. Размер наночастиц определялся при помощи просвечивающей электронной микроскопии (микроскоп JEM-100CX), а также по оптическому поглощению наночастиц в растворе [2, 3]. Были исследованы наночастицы размерами (3.2±0.3) нм, (4±0.4) нм и (5.6±0.5) нм. В процессе синтеза на поверхность наночастиц был хемисорбирован слой молекул ТОРО, что предотвращало агрегацию квантовых точек и позволяло растворять их в различных неполярных растворителях (гексан, хлороформ и т.д.). Проводилось изучение растворов наночастиц в гексане (концентрация от 1×10-6 М до 2×10-4 М) и пленок на оптических стеклах (концентрация наночастиц в пленках 2,2∙10-3 М и 2,5∙10-2 М, толщина пленок от 10 нм до 1 мкм).