Структура и оптические свойства наночастиц, полученных импульсной лазерной абляцией меди в газовой среде

1. СТРУКТУРА И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАНОЧАСТИЦ, ПОЛУЧЕННЫХ ИМПУЛЬСНОЙ ЛАЗЕРНОЙ АБЛЯЦИЕЙ МЕДИ В ГАЗОВОЙ СРЕДЕ

Национальный исследовательский
Томский государственный университет
СТРУКТУРА И ОПТИЧЕСКИЕ
СВОЙСТВА НАНОЧАСТИЦ,
ПОЛУЧЕННЫХ ИМПУЛЬСНОЙ
ЛАЗЕРНОЙ АБЛЯЦИЕЙ МЕДИ В
ГАЗОВОЙ СРЕДЕ
Работу выполнила:
Гончарова Д. А.
Научный руководитель:
доцент, к.ф.-м.
Светличный В. А.
XV Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых
«Перспективы развития фундаментальных наук»

2. Применение

Биомедицина:
• Антибактериальные и
бактериостатические материалы;
• Биоцидные добавки.
Медьсодержащие
НЧ
Оптоэлектроника:
• Газовые датчике;
• Миниатюрные устройства.
Катализ:
• Гетерогенные и нанесенные
катализаторы;
• Фотокатализаторы.
2
XV Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых
«Перспективы развития фундаментальных наук»

3. Цель работы: Получение медьсодержащих наночастиц меди с заданными характеристиками методом импульсной лазерной абляцией в

газовой
среде.
Задачи
• Получение наночастиц импульсной лазерной абляцией
меди в газовой среде (воздух, смесь Ar:О2 (80:20), CO2);
• Исследование влияния состава реакционной среды на
фазовый состав, строение и свойства, полученных
наночастиц.
3
XV Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых
«Перспективы развития фундаментальных наук»

4. Синтез исследуемых материалов

Схема установки для получения НЧ ИЛА в газе
4
XV Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых
«Перспективы развития фундаментальных наук»

5.

Исследование фазового состава нанопорошков
После
45 дней старения
Дифрактограммы порошков, полученных лазерной абляцией меди в различных
газовых средах свежеприготовленные порошки (прямая линия), состаренные
(пунктирная линия)
XV Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых
«Перспективы развития фундаментальных наук»
5

6.

Исследование фазового состава нанопорошков
После 45 дней старения
и XRD анализа
Дифрактограммы порошков, полученных лазерной абляцией меди в различных
газовых средах свежеприготовленные порошки (прямая линия), состаренные
(пунктирная линия)
XV Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых
«Перспективы развития фундаментальных наук»
6

7.

Исследование фазового состава нанопорошков
после термического воздействия
Дифрактограммы порошков, полученных лазерной абляцией меди в
различных газовых средах отожженных при 260 оС (прямая линия),
свежеприготовленные порошки (пунктирная линия)
XV Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых
«Перспективы развития фундаментальных наук»
7

8. Характеристики поверхности полученных нанопорошков

Sуд=48 м2/г
Sуд=78 м2/г
8
Sуд=5,85 м2/г
Sуд=30 м2/г
Sуд=51 м2/г
XV Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых
«Перспективы развития фундаментальных наук»

9. Особенности структуры НЧ после прокаливания

ПЭМ изображения НЧ, полученных лазерной абляцией меди в углекислом газе,
исходный (слева) и прокаленный при 260 оС (справа)
T оС,
О2
CuO
Cu2O
Cu
T оС,
О2
XV Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых
«Перспективы развития фундаментальных наук»
9

10. Оптические свойства полученных порошков

Воздух/Ar:O2/СО2
(260 oC)
СО2
Воздух/Ar:O2
Спектры СДО порошков наночастиц, полученных в различных средах
10
XV Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых
«Перспективы развития фундаментальных наук»

11. Выводы

Получены наночастиц импульсной лазерной абляцией меди в газовой среде
(воздух, смесь Ar:О2 (80:20), CO2).
Установлено, что:
• ИЛА меди в воздухе образуется моноклинная фаза основного нитрата меди;
• В смеси аргона и кислорода образуется моноклинные фазы основного
нитрата меди и оксида меди (II) и кубическая фаза Сu2O;
• ИЛА меди в углекислом газе получены кубические фазы оксида меди (I) и
металлической меди, в структуре Cu@Cu2O;
• Порошки полученные в воздухе и смеси аргона и кислорода менее
стабильны, в отличие от полученных в углекислом газе
• Отжиг порошков при 260 оС, полученных ИЛА меди в различных газовых
смесях, приводит к образованию моноклинной фазы CuO с различной
морфологией.
• Рентгеновское облучение ускоряет процесс окисления порошка,
полученного в углекислом газе.
Исследованы оптические свойства полученных нанопорошков.
11
XV Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых
«Перспективы развития фундаментальных наук»

12. Возможные реакции взаимодействия

Плазма меди (мишени)
Ионизация:
Сu
ℎν
Cu+ + e,
ℎν
Cu+ Cu2+ + e.
Различные виды высокоэнергичных, ионизированных и возбужденных
атомов и кластеров меди (Cum+, Cum*, Cumn*+, где m=1 – атом, m>1 - кластер)
Плазма среды (воздуха) (N2:O2:H2O в соотношении 4:1:0,05)
Ионизация:
ℎν
О2 О2+ + e (N2, O2, H2O, N, O, NO).
Гибель электронов:
Трехчастичное прилипание электронов
О2 + е + О2 → О2– + О2,
О2 + е + Н2О → О2– + Н2О,
О2 + е + N2 → О2– + N2,
И процессы диссоциативного прилипания
О2 + е → О– + О,
H2О + е → H– + ОH.
Отлипание электронов:
О2– + О2 → О2 + О2 + е,
О2– + N2 → О2 + N2 + е,
О– + О2 → О3 + е (k =10-12 cm3/s),
О2– + N2 → N2O + е (k =10-12 cm3/s),
H– + O2 → HO2 + е (k =10-9 cm3/s).
Химические реакции (Cu, O2, N2)
500−600