При синтезе наночастиц необходимо знать их размер, концентрацию, форму и другие физические параметры и характеристики. Одними из наиболее популярных для исследования наноструктурированных материалов являются неразрушающие оптические методы диагностики, которые базируются на сравнении интенсивности света, прошедшего через образец и поглощенного или рассеянного образцом. В работе предлагается макет экспериментальной установки для проведения исследования жидких и твердотельных наноструктурированных материалов методом индикатрис светорассеяния.
Описание установки
Созданный экспериментальной макет реализует метод статического рассеяния света — получение индикатрисы рассеяния света, в результате прохождения лазерного луча через образец. Блок-схема лабораторного макета представлена на Рис. 1.
Рис. 1. Схема установки: 1 — лазер, 2 — исследуемый образец, 3 — фотодиоды, 4 — печатная плата, 5 — Arduino Mega 2560, 6 — компьютер
Макет работает следующим образом. Излучение от лазера 1 попадает на исследуемый объект 2 (кювету с раствором или пластину). Рассеянное на объекте излучение попадает на радиально расположенные фотодиоды 3, установленные в клеммниках двухсторонней печатной платой 4, которая усиливает сигналы от фотодиодов и передает значение от каждого фотодиода на плату микроконтроллера (МК) 5, выступающей в роли аналого-цифрового преобразователя, передающего цифровые данные на компьютер 6. Установка помещена в корпус из ABS-пластика, изготовленный при помощи 3D-печати [1].
В качестве источника лазерного излучения в экспериментальном макете используется лазерный модуль KLM-H650–40–5 с блоком питания БП-1 производства российской фирмы ФТИ-Оптроник. В качестве оптического детектора используется кремниевый pin-фотодиод марки SFH203P фирмы Osram. Фотодиоды подключены по схеме преобразования ток-напряжение через операционный усилитель LM324N и резистор 510 кОм. В качестве микроконтроллерной платы использовалась плата Arduino Mega 2560 на базе МК Atmega 2560.
Для управления установкой, а так же для вывода и обработки экспериментальных данных была написана программа в среде LabVIEW. Обеспечение связи с МК осуществляется за счет интерфейса связи Arduino LIFA, для чего в плату МК загружался соответствующий программный код, осуществляющий виртуальный интерфейс между платой и программной средой LabVIEW.
Рис. 2. Возможные схемы реализации измерений в эксперименте по измерению индикатрис рассеяния света: а) исследование частиц в растворах; б) исследование материала нанесенного на стекло (исследование на пропускание); в) исследование материала на непрозрачной подложке (исследование на отражение)
Измерения проводились тремя различными способами, представленными на Рис. 2. Схема, представленная на Рис. 2, а, использовалась для изучения частиц, получаемых в растворах. Схемы, указанные Рис. 2, б и в, применялись при исследовании частиц, нанесенных на подложку или материала, полученного путем его роста на подложке.
1. Исследование индикатрис светорассеяния сульфида свинца
Интересным применением метода является исследование систем, в которых в процессе измерения происходит непосредственная реакция двух компонентов с образованием наноструктурированного материала. Интересным для исследования материалом являются частицы узкозонных полупроводниковых материалов халькогенидов свинца, интересных для создания различных устройств ИК-оптоэлектроники [2–5],
В ходе данного эксперимента проводилось изучение динамического изменения индикатрисы светорассеяния раствора частиц сульфида свинца, получаемого из ацетата свинца и тиомочевины. Для этого были использованы водные растворы ацетата свинца концентрации 0,107М и тиомочевины 0,125М. В качестве регулятора pH реакции добавлялся водный аммиак. Регулируя pH среды, можно управлять скоростью разложения тиомочевины, служащей источником серы, и соответственно скоростью протекания реакции. Измерение индикатрис светорассеяния происходило непосредственно в процессе образования частиц сульфида свинца. Измерения были начаты через час после начала реакции. Полученные результаты представлены на Рис. 3.
Рис. 3. Индикатрисы светорассеяния (лазерное излучение распространяется слева направо), полученные через различные интервалы времени в ходе реакции образования агрегатов частиц сульфида свинца
Как видно из графиков, с увеличением концентрации и размеров хлопьев сульфида свинца, растет коэффициент поглощения раствора и процент света рассеивающегося в направлении, противоположном падающей световой волне. В конечной стадии реакции, образовалась темная пленка слоя сульфида свинца, которая практически полностью поглощала красное излучение, рассеивая лишь малую его часть назад.
2. Исследование индикатрис светорассеяния входе реакции боргидрида натрия с водой
В ряде случаев в процессе измерения индикатрис, в качестве помехи могут выступать пузырьки газа, образующиеся в ходе реакции. Для проведения исследования таких процессов исследовалась реакция 0,05 г боргидрида натрия и 10 мл дистиллированной воды, одним из продуктов которой является водород. Полученные в ходе проведения эксперимента индикатрисы рассеяния представлены на Рис. 4.
Рис. 4. Индикатрисы светорассеяния (лазерное излучение распространяется слева направо), полученные через различные интервалы времени в ходе реакции образования пузырьков водорода
Как видно из формы полученных индикатрис, в ходе реакции интенсивность рассеянного света увеличивается, что связано с образованием большого количества пузырьков водорода, образующихся в объеме кюветы. Существенным отличием от предыдущего описанного эксперимента является несимметричность формы индикатрис связанная с тем, что часть наиболее крупных пузырьков газа неравномерно закрепляется на стенках кюветы и преломляют луч лазера соответствующим образом.
Заключение
Полученная установка позволяет детектировать индикатрисы рассеяния от различных образцов. Исходя из индикатрис, можно судить о процессах, протекающих в образцах, об оптических параметрах образца и размерах содержащихся в нем частиц. Разработанный макет установки предлагается также использовать для определения размеров полупроводниковых и металлических наночастиц [6], исследования процессов созревания золей в золь-гель-технологии [7–8], исследования поведения магнитных наночастиц со сложной структурой [9] в постоянном и переменном магнитных полях, например, процессов их агрегации, которые пока исследуются лишь чисто фотометрическими методами [10]. Другое интересное приложение связано с возможностью одновременного детектирования рассеяния и фотолюминесценции коллоидных квантовых точек [11] при использовании в качестве источника излучения ультрафиолетового лазера.
Литература:
1. Матюшкин Л. Б., Пермяков Н. В. Применение технологии 3D-печати в обеспечении профессионально ориентированной подготовки кадров в интересах наноиндустрии // Биотехносфера. 2013. № 3. С. 38–47.
2. Александрова О. А., Максимов А. И., Мараева Е. В. и др. Синтез и самоорганизация квантовых точек сульфида свинца для люминесцентных структур, полученных методом испарения коллоидного раствора // Нано- и микросистемная техника. 2013. № 2. С. 19–23.
3. Тарасов С. А., Александрова О. А., Максимов А. И. и др. Исследование процессов самоорганизации квантовых точек сульфида свинца // Известия высших учебных заведений. Электроника. 2013. № 3. С. 28–32.
4. Chesnokova D. B., Moshnikov V. A., Gamarts A. E. et al. Structural characteristics and photoluminescence of Pb1-xCdxSe (x = 0–0.20) layers / Journal of Non-Crystalline Solids. 2010. Т. 356. № 37–40. С. 2010–2014.
5. Мараева Е. В., Матюшкин Л. Б. Получение и исследование нанодисперсных и наноструктурированных халькогенидов свинца // Молодой ученый. 2012. № 7. С. 33–36.
6. Мусихин С. Ф., Александрова О. А., Лучинин В. В. и др. Сенсоры на основе металлических и полупроводниковых коллоидных наночастиц в биомедицине и экологии // Биотехносфера. 2013. № 2. С. 2–17.
7. Жабрев В. А., Мошников В. А., Таиров Ю. М. и др. Золь-гель-технология / учебное пособие / Министерство образования РФ, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ». СПб. 2004.
8. Максимов А. И., Мошников В. А., Таиров Ю. М., Шилова О. А. Основы золь-гель-технологии нанокомпозитов. СПб.: Техномедиа. Элмор. 2008. 255 С.
9. Гареев К. Г. Структура и магнитные свойства композитов на основе нанокристаллических ферритных фаз, получаемых золь-гель-методом // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2014. Т. 3. С. 3–7.
10. Богачев Ю. В., Гареев К. Г., Матюшкин Л. Б. и др. Исследование суспензии наночастиц магнетита методами фотометрии и ЯМР-релаксометрии // Физика твердого тела. 2013. Т. 55. № 12. С. 2313–2317.
11. Матюшкин Л. Б., Александрова О. А., Максимов А. И. и др. Особенности синтеза люминесцирующих полупроводниковых наночастиц в полярных и неполярных средах // Биотехносфера. 2013. № 2. С. 28–33.
