10 авг 2023 8 277

Лазер и золото: рождение наночуда

Ученые из России, Германии и Испании сделали уникальное открытие. Они показали, как можно одновременно воздействовать на поверхность фемтосекундным лазерным излучением и покрыть ее наночастицами благородных металлов.

Фемтосекундный лазер излучает свет с очень короткими импульсами. Они имеют очень высокую пиковую мощность и способны воздействовать на материалы без теплового повреждения. Фемтосекундный лазер может использоваться для создания наноструктур на поверхности различных материалов, таких как металлы, полимеры, керамика и др.

Кратко процесс проходит так: подложка из кремния облучается фемтосекундным лазерным излучением. В этом случае длина одного импульса, порции излучения, составляет несколько фемтосекунд. Для сравнения, например, атом в молекуле совершает одно колебание за время от 10 до 100 фемтосекунд. Облучение таким лазером происходит через раствор, содержащий соединения благородных металлов (серебра, платины, палладия). На последнем этапе такие гибридные наноструктурированные платформы тестируются в качестве индикатора реакции димеризации, а эффективность этого процесса отслеживается in situ — спектрально с помощью метода поверхностно усиленной рамановской спектроскопии, который широко применяется в химии

— младший научный сотрудник кафедры лазерной химии и лазерного материаловедения Евгения Хайруллина.

Наночастицы благородных металлов, таких как золото, серебро, палладий или платина, размером от 1 до 100 нанометров обладают уникальными оптическими, электрическими и каталитическими свойствами, которые зависят от их размера, формы и состава. Они могут усиливать или изменять световые поля на своей поверхности или вблизи нее.

Для создания наноструктурированной поверхности с равномерно распределенными наночастицами благородных металлов ученые использовали соли и комплексы этих металлов, которые наносили на поверхность в виде тонкого слоя. Затем они облучали поверхность фемтосекундным лазером при определенных параметрах. Ключевое отличие данной работы — то, что химикам СПбГУ удалось разработать одностадийный процесс: происходило параллельно лазерное испарение слоя металла и формирование периодических субмикронных структур на поверхности.

Эти структуры имеют размеры менее одного микрометра и называются LIPSS (laser induced periodic surface structure — лазерно-индуцированная периодическая структура поверхности). Они образуются из-за интерференции лазерного излучения с его отражением от поверхности или с плазмонными волнами на наночастицах. LIPSS усиливают локальные световые поля и способствуют дальнейшему образованию и осаждению наночастиц на поверхности.

В результате получается сложная наноструктура, состоящая из LIPSS и наночастиц благородных металлов. Подобная наноструктура имеет ряд преимуществ, таких как повышенная чувствительность к свету, улучшенная электропроводность и каталитическая активность. Эти свойства могут быть использованы для создания высокоэффективных устройств, применяемых в оптике и энергетике, в частности датчиков, накопителей энергии, светоизлучающих и оптоэлектронных устройств.