en
Назад
DOI: 10.17586/1023-5086-2022-89-12-75-81
УДК: 535.243, 538.958, 535.016
Бор-нитридный нанослой в оптических материалах для спектроскопии
Полный текст на elibrary.ru
Публикация в Journal of Optical Technology
Кужаков П.В. Бор-нитридный нанослой в оптических материалах для спектроскопии // Оптический журнал. 2022. Т. 89. № 12. С. 75–81. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2022-89-12-75-81
Kuzhakov P.V. Boron nitride nanolayers in optical spectroscopic materials [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2022. V. 89. № 12. P. 75–81. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2022-89-12-75-81
P. V. Kuzhakov, "Boron nitride nanolayers in optical spectroscopic materials," Journal of Optical Technology. 89(12), 748-751 (2022). https://doi.org/10.1364/JOT.89.000748
Предмет исследования. Предметом исследования в этой работе является наноструктурированные элементы, такие как защитные окна, плоскопараллельные пластины и их модели для создания модернизированных, как мобильных, так и стационарных оптико-эмиссионных спектрометров и анализаторов состава металлов, предназначеных для проведения элементного анализа состава сплавов металла, а также определения марок металлов. За несколько секунд такие приборы определяют содержания элементов, как в чистых металлах, так и в сложных сплавах. В настоящей работе исследовалась модель нанесённой наноструктуры: развёрнутой в монослой бор-нитридной нанотрубки — на подложку из оптического кристалла MgF2, который являлся прототипом защитного окна (от искрового воздействия) оптико-эмиссионного спектрометра. Цель работы. Исследование возможности применения нанесённой наноструктуры бор-нитридных нанотрубок на изнашиваемые части защитных окон оптико-эмиссионного спектрометра с целью стабилизации работы приборов в ультрафиолетовом диапазоне спектра. Метод. В данной работе применены методы теории функционала плотности и методы расчёта с атомным базисным набором (Хартри–Фока HF/STO-3G SP). Основные результаты. Основным результатом работы является развитие представлений о бор-нитридных нанотрубках, развёрнутых в монослой, как о возможном защитном покрытии для спектрометров. Необходимо отметить, что широкие возможности нанесения именно нанослоёв бор-нитрида на элементы спектрометров, таких как защитные окна, имеют практическое значение для спектроскопии, в связи со способностью удерживать высокую температуру бор-нитридного материала, из которого изготавливаются дополнительные опционные шайбы для анализа проволок и прутков в приборах анализаторах. Практическая значимость. Предложенные в работе решения, в части разработки оптико-эмиссионных спектрометров для анализа металла, позволяют выработать требования для дальнейшей его модернизации с целью увеличения срока эксплуатации и стабильности измерений, создания износостойких защитных окон приборов данного типа.
спектрометр, ультрафиолетовый диапазон, бор-нитридная нанотрубка
Благодарность:Автор выражает благодарность доктору физ.-матем. наук Каманиной Наталии Владимировне и своим коллегам из лаборатории «Фотофизика наностуктурированных материалов и устройств», других университетов за полезную дискуссию. Представленные результаты частично коррелируют с работой, выполненной при поддержке проекта “Нанокоатинг-ГОИ” (2012–2015 гг.) в канве работ по национальной технологической базе, а также Международного Российско-израильского проекта “Адаптация” (2017 г.).
Коды OCIS: 010.0280; 010.1280; 010.3640
Список источников:1. Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы: Учеб. пособие / Под ред. Андриевского Р.А. М.: Академия, 2005. 192 с.
2. Андриевский P.A. Хрупкие наноматериалы: твердость и сверхпластичность // Известия РАН. Серия физическая. 2009. Т. 73. № 9. С. 1290–1294.
3. Андриевский Р.А. Наноматериалы: концепция и современные проблемы // Российский химический журнал. 2002. Т. 46. № 5. C. 50–56.
4. Rubio A., Corkill J.L., Cohen M.L. Theory of graphitic boron nitride nanotubes // Phys. Rev. B. 1994. V. 49. № 7. P. 5081–5084. https://doi:10.1103/physrevb.49.5081.
5. Blase X., Rubio A., Louie S.G., Cohen M.L. Stability and band gap constancy of boron nitride nanotubes // Europhys. Lett. 1994. V. 28. P. 335. https://doi.org/10.1209/0295-5075/28/5/007.
6. Loiseau A., Willaime F., Demoncy N., Hug G., Pascard H. et al. Boron nitride nanotubes with reduced numbers of layers synthesized by arc discharge // Phys. Rev. Lett. 1996. V. 76. P. 4737. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.76.4737.
7. Chopra N.G., Luyken R.J., Cherrey K., Crespi V.H., Cohen M.L., Louie S.G., Zettl A. Boron nitride nanotubes // Science. 1995. V. 269. № 5226. P. 966–967. https://doi.org/10.1126/science.269.5226.966.
8. Golberg D., Bando Y., Eremets M., Takemura K., Kurashima K. et al. Nanotubes in boron nitride laser heated at high pressure // Appl. Phys. Lett. 1996. V. 69. P. 2045. https://doi.org/10.1063/1.116874.
9. Terrones M., Hsu W., Terrones H., Zhang J., Ramos S. et al. Metal particle catalyzed production of nanoscale BN structures // Chem. Phys. Lett. 1996. V. 259. P. 568. https://doi.org/10.1016/0009-2614(96)00773-7.
10. Lee D., Lee B., Park K.H., Ryu H.J., Jeon S., Hong S.H. Scalable exfoliation process for highly soluble Boron Nitride Nanoplatelets by Hydroxide-Assisted Ball Milling // Nano Lett. 2015. V. 15. № 2. P. 1238–1244. https://doi.org/10.1021/nl504397h.
11. Weng Q., Ide Y., Wang X., Wang X., Zhang C., Jiang X., Xue Y., Dai P., Komaguchi K., Bando Y., Golberg D. Design of BN porous sheets with richly exposed (002) plane edges and their application as TiO2 visible light sensitizer // Nano Energy. 2015. V. 16. P. 19–27. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2015.06.004
12. Wang J., Kayastha V.K., Yap Y.K., Fan Z., Lu J.G. et al. Low temperature growth of Boron Nitride Nanotubes on substrates // Nano Lett. 2005. V. 5. P. 2528. https://doi.org/10.1021/nl051859n.
13. Enyashin, A.N., Seifert G., Ivanovskii A.L. Electronic, structural, and thermal properties of a nanocable consisting of carbon and BN nanotubes // Jetp. Lett. 2004. V. 80. P. 608–611. https://doi.org/10.1134/1.1851644.
14. Neto A.H.C., Guinea F., Peres N.M.R., Novoselov K.S., Geim A.K. et al. The electronic properties of graphene // Rev. Mod. Phys. 2009. V. 81. P. 109. https:// doi.org/10.1103/RevModPhys.81.109.
15. Bando Y., Ogawa K., Golberg D. Insulating ‘nanocables’: invar Fe–Ni alloy nanorods inside BN nanotubes // Chem. Phys. Lett. 2001. V. 347. P. 349–354. https://doi.org/10.1016/S0009-2614(01)01075-2.
16. Hernandez E., Goze C., Bernier P., Rubio A. Elastic properties of C and BxCyNz composite nanotubes // Phys. Rev. Lett. 1998 V. 80. P. 4502. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.80.4502.
17. Golberg D., Bando Y., Huang Y., Terao T., Mitome M. et al. Boron nitride nanotubes and nanosheets // ACS Nano. 2010. V. 4. P. 2979. https://doi.org/10.1117/12.2045396.
18. Golberg D., Bando Y., Kurashima K., Sato T. Synthesis and characterization of ropes made of BN multiwalled nanotubes // Scripta Materialia. 2001. V. 44. P. 1561. https://doi.org/10.1016/S1359-6462(01)00724-2.
19. Charlier A., McRae E., Heyd R., Charlier M.F., Moretti D. Classification for double-walled carbon nanotubes // Carbon. 1999. V. 37. P. 1779–1783.
20. Belikov A.V., Lozovik Yu.E., Nikolaev A.G., Popov A.M. Thermal stability and structural changes of double-walled carbon nanotubes by heat treatment // Chem. Phys. Lett. 2004. V. 385. P. 72. https://doi.org/10.1016/j.cplett.2003.12.049.
21. Kim A.J., Muramatsu H., Hayashi T., Endo M., Terrones M., Dresselhaus M.S. // Chem. Phys. Lett. 2004. V. 398. P. 87. https://doi.org/10.1016/j.cplett.2004.09.024
22. Rakov E.G. Preparation of thin carbon nanotubes by catalytic pyrolysis on a support // RUSS CHEM REV. 2007. V. 76(1). P. 1–22. https://doi.org/10.1070/RC2007v076n01ABEH003641.
23. Тарасов К.И. Спектральные приборы: Учеб. пособие / Под ред. Тарасова К.И. 2-е изд. Л.: Машиностроение, 1977. 368 с.
24. Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и технологии. 2015. № 1(34). С. 3–27. https://doi.org/10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33.
25. Kobea S., Žužeka K., Sarantopouloub E. et. al. Nanocrystalline Sm–Fe composites fabricated by pulse laser deposition at 157 nm // Applied Surface Science, 2005. V. 248. P. 349–354. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2005.03.049.
26. Amorusoa S., Ausaniob G., de Lisioa C. et. al. Synthesis of nickel nanoparticles and nanoparticles magnetic films by femtosecond laser ablation in vacuum // Applied Surface Science. 2005. V. 247. P. 71–75. https:// doi.org/10.1016/j.apsusc.2005.01.054.
27. Быковский Ю.А., Неволин В.Н., Фоминский В.Ю. Ионная и лазерная имплантация металлических материалов. М.: Энергоатомиздат, 1991. 235 с.
28. Каманина Н.В., Васильев П.Я., Студенов В.И. Особенности наноструктурированных покрытий при использовании лазерной технологии и ориентированных углеродных нанотрубок // Письма в ЖТФ. 2011. T. 37. Вып. 3. № 1. C. 23–29.
29. Каманина Н.В., Богданов К.Ю., Васильев П.Я., Студенов В.И. Повышение поверхностной механической прочности "мягких" материалов УФ и ИК диапазонов спектра, и увеличение их спектра пропускания: модельная система MgF2 — нанотрубки // Оптический журнал. 2010. T. 77. № 2. C. 84–86.
30. Kamanina N.V., Bogdanov K.Yu., Vasilyev P.Ya., Studenov V.I., Pujsha A.E., Shmidt A.V., Krestinin A.V., Kajzar F. Nanoobject-containing structures for aerospace and laser switching systems // Nonlinear optics and quantum optics. 2010. V. 40. P. 277–285.
31. Каманина Н.В., Васильев П.Я., Студенов В.И. Применение нанотехнологий в оптике: о возможности увеличении прозрачности и поверхностной механической прочности материалов УФ и ИК диапазонов спектра // Оптический журнал. 2008. T. 75. № 12. C. 57–60.
32. Кужаков П.В., Каманина Н.В. Спектральные исследования и смачиваемость монокристаллов бромида калия, хлорида натрия, фторида магния при наноструктурировании // Оптика и спектроскопия. 2014. Т. 117. № 4. C. 134–137.
33. Каманина Н.В., Кужаков П.В., Васильев П.Я. Защитное покрытие для гигроскопичных оптических материалов на основе лазерно-осаждаемых углеродных нанотрубок для целей оптоэлектроники и медицинской техники // Патент № 2543694. Россия. Бюл. № 28. 2013.
34. Kamanina N., Toikka A., Barnash Y., Kuzhakov P., Kvashnin D. Advanced and functional structured ceramics: MgF2 and ZnS // Materials. 2022. V. 15. P. 4780. https://doi.org/10.3390/ma15144780.
35. Lisitsyn T., Lisitsyna L., Dauletbekova A., Golkovskii M., Karipbayev Z., Musakhanov D., Polisadova E. Luminescence of the tungsten-activated MgF2 ceramics synthesized under the electron beam // Nucl. Instrum. Methods B. 2018. V. 435(263). P. 267. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2017.11.012.
36. Eglitis R., Popov A.I., Purans J., Ran J. First principles hybrid Hartree-Fock-DFT calculations of bulk and (001) surface F centers in oxide perovskites and alkaline-earth fluorides // Low Temp. Phys. 2020. V. 46. P. 000000. https://doi.org/10.1063/10.0002475.