eng
Выпуск #3-4/2022
В.А.Казаков, А.В.Смирнов, А.В.Кокшина, E.C.Тюнтеров, В.С.Абруков, Д.А.Ануфриева
СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГИБРИДНЫХ МЕТАЛЛОУГЛЕРОДНЫХ СИСТЕМ: ПЛЕНОК ЛИНЕЙНО-ЦЕПОЧЕЧНОГО УГЛЕРОДА, ЛЕГИРОВАННЫХ СЕРЕБРОМ
СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГИБРИДНЫХ МЕТАЛЛОУГЛЕРОДНЫХ СИСТЕМ: ПЛЕНОК ЛИНЕЙНО-ЦЕПОЧЕЧНОГО УГЛЕРОДА, ЛЕГИРОВАННЫХ СЕРЕБРОМ
Просмотры: 965
DOI: 10.22184/1993-8578.2022.15.3-4.186.194
В работе описана технология синтеза и результаты исследования оптических свойств металлоуглеродных систем: пленок линейно-цепочечного углерода легированных серебром методами оптической спектрофотометрии и спектроэллипсометрии. Приводятся результаты моделирования и обобщения полученных данных с помощью искусственных нейронных сетей.
В работе описана технология синтеза и результаты исследования оптических свойств металлоуглеродных систем: пленок линейно-цепочечного углерода легированных серебром методами оптической спектрофотометрии и спектроэллипсометрии. Приводятся результаты моделирования и обобщения полученных данных с помощью искусственных нейронных сетей.
Теги: artificial neural networks linear-chain carbon metallocarbon nanosystems silver искусственные нейронные сети линейно-цепочечный углерод металлуглеродные наносистемы серебро
СИНТЕз И ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГИБРИДНЫХ МЕТАЛЛОУГЛЕРОДНЫХ СИСТЕМ: ПЛЕНОК ЛИНЕЙНО-ЦЕПОЧЕЧНОГО УГЛЕРОДА, ЛЕГИРОВАННЫХ СЕРЕБРОМ
В.А.Казаков1, к.т.н., доц., ORCID: 0000-0001-8974-2307 / cossac@mail.ru
А.В.Смирнов1, инженер, ORCID: 0000-0003-2424-8142
А.В.Кокшина1, ст. преп., ORCID: 0000-0001-8645-2822
E.C.Тюнтеров1, аспирант, ORCID: 0000-0002-8816-9737
В.С.Абруков1, д.ф.-м.н., проф., зав. каф., ORCID: 0000-0002-4680-6224
Д.А.Ануфриева1, аспирант, ORCID: 0000-0003-4860-3460
Аннотация. В работе описана технология синтеза и результаты исследования оптических свойств металлоуглеродных систем: пленок линейно-цепочечного углерода легированных серебром методами оптической спектрофотометрии и спектроэллипсометрии. Приводятся результаты моделирования и обобщения полученных данных с помощью искусственных нейронных сетей.
Ключевые слова: металлуглеродные наносистемы, линейно-цепочечный углерод, серебро, искусственные нейронные сети
Для цитирования: В.А. Казаков, А.В. Смирнов, А.В. Кокшина, Е.С. Тюнтеров, В.С. Абруков, Д.А Ануфриева. Синтез и исследование оптических свойств гибридных металлоуглеродных систем: пленок линейно-цепочечного углерода, легированных серебром. НАНОИНДУСТРИЯ. 2022. Т. 15, № 3–4. С. 186–194. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.3-4.186.194
ВВЕДЕНИЕ
Синтез аллотропной формы углерода в состоянии sp1 впервые был осуществлен в ИНЭОС АН СССР в 1959 году методом окислительной дегидрополиконденсации ацетилена [1, 2]. По данным электронной микродифракции [2] были обнаружены две модификации карбина, названные a- и b-карбином. Параметры гексагональной ячейки были определены соответственно: aa= 5,08 Å, сa= 7,80 Å, аb= 4,76 Å, сb= 2,58 Å. Авторы предположили, что a-карбин – это полииновая форма углеродной цепочки ( -С≡С-С≡С- )n, а b-карбин – кумуленовая форма ( =С=С=С= )n. Продолжение исследований карбинов как природных, так и полученных синтетически, существенно расширило спектр возможных модификаций карбина, в частности, была создана устойчивая нанопленка карбина, обладающая уникальными физическими свойствами. Эта пленка получила название – пленка линейно-цепочечного углерода (ЛЦУ) – sp1-гибридизированного углерода. Важным направлением дальнейших работ стало создание технологий внедрения атомов металлов в пленку ЛЦУ [3–6]. Исследование структурных и оптических свойств наноматериалов, полученных при внедрении атомов металлов в пленку ЛЦУ, имеют важное фундаментальное и прикладное значение, поскольку полученные гибридные наносистемы могут представлять интерес в области медицины [3, 4], катализа, разработки новых наносенсоров, изделий наноэлектроники [5–7]. Оптические свойства нанотолщинных пленок металлов и их наночастиц проявляются в появлении плазмонного эффекта. Для серебра этот эффект характерен в видимом диапазоне длин волн. При легировании углеродной матрицы серебром или отжиге серебряных пленок в результате диффузионных процессов и сил поверхностного натяжения при нагреве происходит изменение размеров наночастиц и кластеров. Кроме того, при формировании пленок и кластеров серебра различными методами их размеры существенным образом зависят от параметров синтеза. Так, при терморезистивном напылении рост пленки проходит по кластерному механизму: на первом этапе образуются кластеры и наночастицы серебра на подложке, являющиеся центрами зародышеобразования пленки. При этом сама пленка не сплошная и прозрачная, поскольку состоит из отдельных наночастиц, а "толщина" пленки определяется размерами кластеров, либо рассчитывается эквивалентно, по изменению массы пленки. При отсутствии перекрытия между отдельными наночастицами ее электрическое сопротивление велико. С ростом толщины кластеры серебра увеличиваются в размерах, происходит их перекрытие, и пленка серебра становится сплошной, что проявляется в появлении электрической проводимости. Меняется механизм образования плазмонов (от частиц к пленке), что проявляется и в оптических свойствах.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Эксперимент по внедрению серебра в пленку линейно-цепочечного углерода (ЛЦУ) строился следующим образом. В вакуумной установке УВР-3М при остаточном давлении около 10–2 Па на стеклянные подложки термическим испарением в вакууме наносили пленку серебра методом терморезистивного испарения толщинами 10÷100 нм. На часть образцов поверх серебра на модернизированной вакуумной ионно-плазменной установке "УРМ.3.279.070 Алмаз" синтезировали пленку ЛЦУ, по методике изложенной в [3]. Толщины измерялись методом атомно-силовой микроскопии, путем измерения ступеньки на границе стекло/пленка серебра. Толщина ЛЦУ определялась по количеству импульсов углеродной плазмы и составляла примерно 100 нм. Полученный двухслойный образец помещали в печь и отжигали при температуре 450 °С в среде воздуха. Отжиг проводился для стимулирования внедрения атомов серебра в ЛЦУ.
Спектры коэффициента пропускания пленок чистого серебра и металлоуглеродных пленочных материалов серебро-ЛЦУ, получаемых до и после отжига, исследовались на спектрофотометре Lambda-25.
Спектры диэлектрической проницаемости пленок чистого серебра (действительной и мнимой частей) исследовались на спектральном эллипсометре "Эллипс-1891".
Наличие или отсутствие электропроводности пленок подтверждалось на цифровом программируемом мультиметре Keythley серии 2400.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Для пленок серебра, напыленных на стеклянную подложку (или кварцевое стекло), при различных толщинах напыленного слоя серебра оптические спектры пропускания имеют вид, показанный на рис.1.
Для сплошных (полностью покрывающие подложку, шероховатость поверхности небольшая), тонких (толщина до 200 нм), прозрачных электропроводящих пленок серебра, без отжига, максимум коэффициента пропускания наблюдается на длине волны 322 нм (рис.1 – красный спектр).
Для островковых (не полностью покрывающие подложку, большая шероховатость поверхности с образованием отдельных кластеров серебра на поверхности подложки), тонких (толщина до 70 нм), прозрачных не электропроводящих пленок серебра, с отжигом в среде воздуха, кроме более высокого значения максимума коэффициента пропускания на длине волны 322 нм, наблюдается широкая полоса экстинкции с центром в области 468 нм (рис.1 – зеленый спектр). После отжига, в результате процессов диффузии и воздействия сил поверхностного натяжения, происходит перестроение пленки, сплошность нарушается, пленка становится островковой, появляется поверхностное плазмонное поглощение [13]. При этом центр полосы поглощения определяет размер наночастиц серебра [9].
Для той же, что и на рис.1, островковой пленки серебра (зеленый спектр), на рис.2 приведены спектры значений действительной и мнимой частей диэлектрической проницаемости пленки: eps1 и eps2 (по определению, диэлектрическая проницаемость eps = eps1 + i eps2).
Как видно из рис.2, начиная с энергий 3,8 эВ (322 нм) наблюдается скачкообразное изменение как значений диэлектрической проницаемости, так и соответственно зависящих от них значений коэффициента преломления и экстинкции. Эта частота соответствует частоте объемных плазмонных колебаний, то есть свет с частотой ниже плазменной частоты отражается, потому что электроны в металле экранируют электрическое поле в световой электромагнитной волне. Свет с частотой выше плазменной частоты проходит, потому что электроны не могут достаточно быстро ответить, чтобы экранировать его. Именно объемными плазмонами и объясняется окно прозрачности (рис.3) с максимумом на длине волны, равной 322 нм [9].
На рис.4 представлены спектры пропускания для систем пленка серебра толщиной 60 нм с нанесенной пленкой ЛЦУ толщиной 100 нм. Серая линия соответствует системе до отжига, черная линия – после отжига в среде воздуха.
Как видно из рис.4, в системе серебро – ЛЦУ после отжига произошли существенные изменения спектра пропускания. Помимо увеличения коэффициента пропускания практически во всем диапазоне длин волн и максимума прозрачности на длине волны 322 нм, появилась выраженная полоса поглощения с центром в области ~420 нм.
Таким образом, полученные экспериментальные результаты показывают следующее:
Нанопленки серебра имеют максимум коэффициента пропускания на длине волны 322 нм.
Отжиг пленок серебра и систем серебро – ЛЦУ приводит к увеличению коэффициента пропускания в области спектра с центром на длине волны 322 нм.
Отжиг пленок серебра и систем серебро – ЛЦУ приводит к появлению полосы поглощения с центром в области ~420 нм, характерной для поверхностного плазмонного поглощения серебра.
Таким образом, при термическом отжиге пленки серебра с ЛЦУ наблюдается перестроение островковой пленки серебра, сопровождающееся увеличением размеров кластеров серебра, что отражается на спектрах пропускания. Этот процесс сопровождается внедрением кластеров и наночастиц в структуру ЛЦУ. Известно, что при прямом взаимодействии углерода с серебром не образуется химического соединения между указанными элементами. Полученная в работе [10] электроннограмма и данные атомно-силовой микроскопии [11] дают основание утверждать, что, несмотря на изменения поверхностной структуры пленки, связанной с переносом вещества, гексагональная структура ЛЦУ не разрушилась при интеркалировании, поскольку наблюдаются шесть рефлексов, характерных для пленок ЛЦУ.
ОБСУЖДЕНИЕ
С целью обобщения всех полученных экспериментальных данных (не только тех, что описаны выше) с помощью искусственных нейронных сетей (ИНС) был создан комплекс многофакторных вычислительных моделей. Основы ИНС и методы использования ИНС для моделирования экспериментальных данных представлены и описаны в [14–17].
Для создания моделей использовались нейронные сети, включенные в аналитическую платформу Deductor Academic 5.3 Build 0.88 (www.basegroup.ru). Использовались нейронные сети прямого распространения (feed forward neural networks) c одним входным слоем (число нейронов определялось числом факторов), одним внутренним (hidden) слоем с разным числом скрытых нейронов (от 5 до 8), одним выходным слоем (с одним нейроном).
Целевыми функциями моделей являлись коэффициент прозрачности, мнимая и действительная части диэлектрической проницаемости. Факторами моделей были: длина волны света, поверхностная структура пленки серебра (сплошная или островковая), толщина пленки серебра, толщина пленки ЛЦУ, электропроводность (да, нет), проведение отжига пленок (да, нет). Полученные модели представляли собой своеобразные (полученные в процессе обучения нейронных сетей) калькуляторы (вычислительные структуры), позволяющие для любого набора значений факторов определять целевую функцию конкретной модели.
Кроме модели калькулятора были также созданы вычислительные модели определения действительной и мнимой части диэлектрической проницаемости различных пленок серебра через параметры пленок, а также вычислительная модель связи коэффициента прозрачности и диэлектрической проницаемости (действительной и мнимой части) для различных пленок, полученных с помощью различных технологий синтеза.
Таким образом полученные вычислительные нейросетевые модели соответствуют полученным экспериментальным данным. Величина среднеквадратичной ошибки определяется в аналитической платформе Deductor Academic в процессе обучения ИНС, одновременно, для обучающей и тестовой выборки экспериментальных данных [18].
Результаты вычислений для самых различных комбинаций значений факторов находятся в хорошем соответствии с результатами проведенных экспериментов.
ВЫВОДЫ
Проведены подробные оптические исследования пленок серебра и гибридных металлоуглеродных систем серебро – ЛЦУ. Полученные результаты позволили выявить особенности спектров пропускания и диэлектрической проницаемости. Показано сильное влияние отжига на спектры. С помощью искусственных нейронных сетей созданы многофакторные вычислительные модели полученных спектров.
Авторы рассматривают применение ИНС для моделирования экспериментальных данных и создания многофакторных вычислительных моделей как очень перспективный путь обобщения результатов эксперимента.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Heimann R.B., Kleiman J.I., Salansky N.M. Nature Lett. 306, 164 (1983).
Heimann R.B., Evsyukov S.E., Kavan L. Dordrecht. Carbyne and Carbynoid Structures. 1999.
Александров А.Ф., Гусева М.Б., Корнеева Ю.В., Новиков Н.Д., Хвостов В.В. Результаты и перспективы применения биосовместимых форм линейно-цепочечного углерода в медицине // Интеграл. 2011. № 4. С. 28–33.
Тапальский Д.В., Николаев Н.С., Овсянкин А.В., Кочаков В.Д., Головина Е.А., Матвеенков М.В., Сухорукова М.В., Козлов Р.С. Покрытия на основе двумерно упорядоченного линейно-цепочечного углерода для защиты титановых имплантатов от микробной колонизации // Травматология и ортопедия России. 2019. Т. 25. № 2. С. 111–120.
Васильев А.И., Смирнов А.В., Кочаков В.Д. Фотоактивные элементы электроники на основе линейно-цепочечного углерода. Вестник Чувашского государственного педагогического университета им. И.Я. Яковлева. 2012. № 4 (76). С. 43–46.
Кочаков В.Д., Васильев А.И., Смирнов А.В. Датчик влажности. Патент на изобретение RU 2647168 C2, 14.03.2018. Заявка № 2016129668 от 19.07.2016.
Kokshina A.V., Kochakov V.D., Vasilyeva O.V. Influence of carbon in the sp 1 state on the Schottky transition Si-Cd. Journal of Physics: Conference Series. 2019. С. 012229.
Maier S.A. Plasmonics: Fundamentals and Applications. Springer, 2007.
Смирнов А.В., Гималдинов Д.В. Перспективы создания фотодетектирующих устройств на основе плазмонного резонанса на кластерах серебра. Сборник материалов победителей и призеров XXI республиканского конкурса научно-исследовательских работ студентов, молодых ученых и специалистов "Наука XXI века" Чебоксары-2013.
Васильев А.И., Кочаков В.Д. Влияние отжига на физические свойства металлоуглеродных пленок. Вестник Чувашского университета. 2011. № 3. С. 189–192.
Кочаков В.Д., Смирнов А.В., Васильев А.И., Кокшина А.В., Краснова А.Г. Особенности взаимодействия атомов серебра с пленкой линейно-цепочечного углерода. "Альтернативная энергетика и экология". № 17. 2014. С. 78–83.
Kreibig U., Vollmer M. Optical properties of metal clusters. Berlin: Springer-Verlag, 1995. 532 p.
Jiang T. et al. Tunable Ag surface-plasmon-resonance wavelength and its application on the photochromic behavior of TiO2–Ag films. Superlattices and Microstructures. V. 46. Issues 1–2, July–August 2009. PP. 159–165.
Abrukov V.S., Karlovich E.V., Afanasyev V.N., Semenov Y.V., Abrukov S.V. Сreation of propellant combustion models by means of data mining tools. International Journal of Energetic Materials and Chemical Propulsion. 2010. V. 9. № 5. PP. 385–396.
Abrukov V., Lukin A., Anufrieva D., Oommen C., Sanalkumar V., Chandrasekaran N., Bharath R. Recent Advancements in Study of Effects of Nano Micro Additives on Solid Propellants Combustion by Means of the Data Science Methods. Defence Science Journal. 2019. 69(1). PP. 20–26.
Chandrasekaran N., Oommen C., Sanalkumar V.R., Abrukov V.S., Lukin A.N., Anufrieva D.A. Prediction of Detonation Velocity and N-O Composition of High Energy C-H-N-O Explosives by Means of the Data Science Methods. Prop., Explos., Pyrotech. 2019. V. 44. № 5. PP. 579–587.
Mariappan A., Choi H., Abrukov V.S., Anufrieva D.A., Lukin A.N., Sankar V., Sanalkumar V.R. The Application of Energetic Materials Genome Approach for Development of the Solid Propellants Through the Space Debris Recycling at the Space Platform. Proceedings of the Conference: "AIAA Propulsion and Energy 2020 Forum" AIAA 2020-3898. https://doi.org/10.2514/6.2020-3898
Abrukov V.S., Anufrieva D.A., Sanalkumar V.R., Mariappan A. Multifactor Computational Models of the Effect of Catalysts on the Combustion of Ballistic Powders (experimental results of Denisyuk team) Direct Tasks, Virtual Experiments and Inverse Problems. 2020. 1–20. https://doi.org/10.13140/RG.2.2.36521.01125
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
В.А.Казаков1, к.т.н., доц., ORCID: 0000-0001-8974-2307 / cossac@mail.ru
А.В.Смирнов1, инженер, ORCID: 0000-0003-2424-8142
А.В.Кокшина1, ст. преп., ORCID: 0000-0001-8645-2822
E.C.Тюнтеров1, аспирант, ORCID: 0000-0002-8816-9737
В.С.Абруков1, д.ф.-м.н., проф., зав. каф., ORCID: 0000-0002-4680-6224
Д.А.Ануфриева1, аспирант, ORCID: 0000-0003-4860-3460
Аннотация. В работе описана технология синтеза и результаты исследования оптических свойств металлоуглеродных систем: пленок линейно-цепочечного углерода легированных серебром методами оптической спектрофотометрии и спектроэллипсометрии. Приводятся результаты моделирования и обобщения полученных данных с помощью искусственных нейронных сетей.
Ключевые слова: металлуглеродные наносистемы, линейно-цепочечный углерод, серебро, искусственные нейронные сети
Для цитирования: В.А. Казаков, А.В. Смирнов, А.В. Кокшина, Е.С. Тюнтеров, В.С. Абруков, Д.А Ануфриева. Синтез и исследование оптических свойств гибридных металлоуглеродных систем: пленок линейно-цепочечного углерода, легированных серебром. НАНОИНДУСТРИЯ. 2022. Т. 15, № 3–4. С. 186–194. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.3-4.186.194
ВВЕДЕНИЕ
Синтез аллотропной формы углерода в состоянии sp1 впервые был осуществлен в ИНЭОС АН СССР в 1959 году методом окислительной дегидрополиконденсации ацетилена [1, 2]. По данным электронной микродифракции [2] были обнаружены две модификации карбина, названные a- и b-карбином. Параметры гексагональной ячейки были определены соответственно: aa= 5,08 Å, сa= 7,80 Å, аb= 4,76 Å, сb= 2,58 Å. Авторы предположили, что a-карбин – это полииновая форма углеродной цепочки ( -С≡С-С≡С- )n, а b-карбин – кумуленовая форма ( =С=С=С= )n. Продолжение исследований карбинов как природных, так и полученных синтетически, существенно расширило спектр возможных модификаций карбина, в частности, была создана устойчивая нанопленка карбина, обладающая уникальными физическими свойствами. Эта пленка получила название – пленка линейно-цепочечного углерода (ЛЦУ) – sp1-гибридизированного углерода. Важным направлением дальнейших работ стало создание технологий внедрения атомов металлов в пленку ЛЦУ [3–6]. Исследование структурных и оптических свойств наноматериалов, полученных при внедрении атомов металлов в пленку ЛЦУ, имеют важное фундаментальное и прикладное значение, поскольку полученные гибридные наносистемы могут представлять интерес в области медицины [3, 4], катализа, разработки новых наносенсоров, изделий наноэлектроники [5–7]. Оптические свойства нанотолщинных пленок металлов и их наночастиц проявляются в появлении плазмонного эффекта. Для серебра этот эффект характерен в видимом диапазоне длин волн. При легировании углеродной матрицы серебром или отжиге серебряных пленок в результате диффузионных процессов и сил поверхностного натяжения при нагреве происходит изменение размеров наночастиц и кластеров. Кроме того, при формировании пленок и кластеров серебра различными методами их размеры существенным образом зависят от параметров синтеза. Так, при терморезистивном напылении рост пленки проходит по кластерному механизму: на первом этапе образуются кластеры и наночастицы серебра на подложке, являющиеся центрами зародышеобразования пленки. При этом сама пленка не сплошная и прозрачная, поскольку состоит из отдельных наночастиц, а "толщина" пленки определяется размерами кластеров, либо рассчитывается эквивалентно, по изменению массы пленки. При отсутствии перекрытия между отдельными наночастицами ее электрическое сопротивление велико. С ростом толщины кластеры серебра увеличиваются в размерах, происходит их перекрытие, и пленка серебра становится сплошной, что проявляется в появлении электрической проводимости. Меняется механизм образования плазмонов (от частиц к пленке), что проявляется и в оптических свойствах.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Эксперимент по внедрению серебра в пленку линейно-цепочечного углерода (ЛЦУ) строился следующим образом. В вакуумной установке УВР-3М при остаточном давлении около 10–2 Па на стеклянные подложки термическим испарением в вакууме наносили пленку серебра методом терморезистивного испарения толщинами 10÷100 нм. На часть образцов поверх серебра на модернизированной вакуумной ионно-плазменной установке "УРМ.3.279.070 Алмаз" синтезировали пленку ЛЦУ, по методике изложенной в [3]. Толщины измерялись методом атомно-силовой микроскопии, путем измерения ступеньки на границе стекло/пленка серебра. Толщина ЛЦУ определялась по количеству импульсов углеродной плазмы и составляла примерно 100 нм. Полученный двухслойный образец помещали в печь и отжигали при температуре 450 °С в среде воздуха. Отжиг проводился для стимулирования внедрения атомов серебра в ЛЦУ.
Спектры коэффициента пропускания пленок чистого серебра и металлоуглеродных пленочных материалов серебро-ЛЦУ, получаемых до и после отжига, исследовались на спектрофотометре Lambda-25.
Спектры диэлектрической проницаемости пленок чистого серебра (действительной и мнимой частей) исследовались на спектральном эллипсометре "Эллипс-1891".
Наличие или отсутствие электропроводности пленок подтверждалось на цифровом программируемом мультиметре Keythley серии 2400.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Для пленок серебра, напыленных на стеклянную подложку (или кварцевое стекло), при различных толщинах напыленного слоя серебра оптические спектры пропускания имеют вид, показанный на рис.1.
Для сплошных (полностью покрывающие подложку, шероховатость поверхности небольшая), тонких (толщина до 200 нм), прозрачных электропроводящих пленок серебра, без отжига, максимум коэффициента пропускания наблюдается на длине волны 322 нм (рис.1 – красный спектр).
Для островковых (не полностью покрывающие подложку, большая шероховатость поверхности с образованием отдельных кластеров серебра на поверхности подложки), тонких (толщина до 70 нм), прозрачных не электропроводящих пленок серебра, с отжигом в среде воздуха, кроме более высокого значения максимума коэффициента пропускания на длине волны 322 нм, наблюдается широкая полоса экстинкции с центром в области 468 нм (рис.1 – зеленый спектр). После отжига, в результате процессов диффузии и воздействия сил поверхностного натяжения, происходит перестроение пленки, сплошность нарушается, пленка становится островковой, появляется поверхностное плазмонное поглощение [13]. При этом центр полосы поглощения определяет размер наночастиц серебра [9].
Для той же, что и на рис.1, островковой пленки серебра (зеленый спектр), на рис.2 приведены спектры значений действительной и мнимой частей диэлектрической проницаемости пленки: eps1 и eps2 (по определению, диэлектрическая проницаемость eps = eps1 + i eps2).
Как видно из рис.2, начиная с энергий 3,8 эВ (322 нм) наблюдается скачкообразное изменение как значений диэлектрической проницаемости, так и соответственно зависящих от них значений коэффициента преломления и экстинкции. Эта частота соответствует частоте объемных плазмонных колебаний, то есть свет с частотой ниже плазменной частоты отражается, потому что электроны в металле экранируют электрическое поле в световой электромагнитной волне. Свет с частотой выше плазменной частоты проходит, потому что электроны не могут достаточно быстро ответить, чтобы экранировать его. Именно объемными плазмонами и объясняется окно прозрачности (рис.3) с максимумом на длине волны, равной 322 нм [9].
На рис.4 представлены спектры пропускания для систем пленка серебра толщиной 60 нм с нанесенной пленкой ЛЦУ толщиной 100 нм. Серая линия соответствует системе до отжига, черная линия – после отжига в среде воздуха.
Как видно из рис.4, в системе серебро – ЛЦУ после отжига произошли существенные изменения спектра пропускания. Помимо увеличения коэффициента пропускания практически во всем диапазоне длин волн и максимума прозрачности на длине волны 322 нм, появилась выраженная полоса поглощения с центром в области ~420 нм.
Таким образом, полученные экспериментальные результаты показывают следующее:
Нанопленки серебра имеют максимум коэффициента пропускания на длине волны 322 нм.
Отжиг пленок серебра и систем серебро – ЛЦУ приводит к увеличению коэффициента пропускания в области спектра с центром на длине волны 322 нм.
Отжиг пленок серебра и систем серебро – ЛЦУ приводит к появлению полосы поглощения с центром в области ~420 нм, характерной для поверхностного плазмонного поглощения серебра.
Таким образом, при термическом отжиге пленки серебра с ЛЦУ наблюдается перестроение островковой пленки серебра, сопровождающееся увеличением размеров кластеров серебра, что отражается на спектрах пропускания. Этот процесс сопровождается внедрением кластеров и наночастиц в структуру ЛЦУ. Известно, что при прямом взаимодействии углерода с серебром не образуется химического соединения между указанными элементами. Полученная в работе [10] электроннограмма и данные атомно-силовой микроскопии [11] дают основание утверждать, что, несмотря на изменения поверхностной структуры пленки, связанной с переносом вещества, гексагональная структура ЛЦУ не разрушилась при интеркалировании, поскольку наблюдаются шесть рефлексов, характерных для пленок ЛЦУ.
ОБСУЖДЕНИЕ
С целью обобщения всех полученных экспериментальных данных (не только тех, что описаны выше) с помощью искусственных нейронных сетей (ИНС) был создан комплекс многофакторных вычислительных моделей. Основы ИНС и методы использования ИНС для моделирования экспериментальных данных представлены и описаны в [14–17].
Для создания моделей использовались нейронные сети, включенные в аналитическую платформу Deductor Academic 5.3 Build 0.88 (www.basegroup.ru). Использовались нейронные сети прямого распространения (feed forward neural networks) c одним входным слоем (число нейронов определялось числом факторов), одним внутренним (hidden) слоем с разным числом скрытых нейронов (от 5 до 8), одним выходным слоем (с одним нейроном).
Целевыми функциями моделей являлись коэффициент прозрачности, мнимая и действительная части диэлектрической проницаемости. Факторами моделей были: длина волны света, поверхностная структура пленки серебра (сплошная или островковая), толщина пленки серебра, толщина пленки ЛЦУ, электропроводность (да, нет), проведение отжига пленок (да, нет). Полученные модели представляли собой своеобразные (полученные в процессе обучения нейронных сетей) калькуляторы (вычислительные структуры), позволяющие для любого набора значений факторов определять целевую функцию конкретной модели.
Кроме модели калькулятора были также созданы вычислительные модели определения действительной и мнимой части диэлектрической проницаемости различных пленок серебра через параметры пленок, а также вычислительная модель связи коэффициента прозрачности и диэлектрической проницаемости (действительной и мнимой части) для различных пленок, полученных с помощью различных технологий синтеза.
Таким образом полученные вычислительные нейросетевые модели соответствуют полученным экспериментальным данным. Величина среднеквадратичной ошибки определяется в аналитической платформе Deductor Academic в процессе обучения ИНС, одновременно, для обучающей и тестовой выборки экспериментальных данных [18].
Результаты вычислений для самых различных комбинаций значений факторов находятся в хорошем соответствии с результатами проведенных экспериментов.
ВЫВОДЫ
Проведены подробные оптические исследования пленок серебра и гибридных металлоуглеродных систем серебро – ЛЦУ. Полученные результаты позволили выявить особенности спектров пропускания и диэлектрической проницаемости. Показано сильное влияние отжига на спектры. С помощью искусственных нейронных сетей созданы многофакторные вычислительные модели полученных спектров.
Авторы рассматривают применение ИНС для моделирования экспериментальных данных и создания многофакторных вычислительных моделей как очень перспективный путь обобщения результатов эксперимента.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Heimann R.B., Kleiman J.I., Salansky N.M. Nature Lett. 306, 164 (1983).
Heimann R.B., Evsyukov S.E., Kavan L. Dordrecht. Carbyne and Carbynoid Structures. 1999.
Александров А.Ф., Гусева М.Б., Корнеева Ю.В., Новиков Н.Д., Хвостов В.В. Результаты и перспективы применения биосовместимых форм линейно-цепочечного углерода в медицине // Интеграл. 2011. № 4. С. 28–33.
Тапальский Д.В., Николаев Н.С., Овсянкин А.В., Кочаков В.Д., Головина Е.А., Матвеенков М.В., Сухорукова М.В., Козлов Р.С. Покрытия на основе двумерно упорядоченного линейно-цепочечного углерода для защиты титановых имплантатов от микробной колонизации // Травматология и ортопедия России. 2019. Т. 25. № 2. С. 111–120.
Васильев А.И., Смирнов А.В., Кочаков В.Д. Фотоактивные элементы электроники на основе линейно-цепочечного углерода. Вестник Чувашского государственного педагогического университета им. И.Я. Яковлева. 2012. № 4 (76). С. 43–46.
Кочаков В.Д., Васильев А.И., Смирнов А.В. Датчик влажности. Патент на изобретение RU 2647168 C2, 14.03.2018. Заявка № 2016129668 от 19.07.2016.
Kokshina A.V., Kochakov V.D., Vasilyeva O.V. Influence of carbon in the sp 1 state on the Schottky transition Si-Cd. Journal of Physics: Conference Series. 2019. С. 012229.
Maier S.A. Plasmonics: Fundamentals and Applications. Springer, 2007.
Смирнов А.В., Гималдинов Д.В. Перспективы создания фотодетектирующих устройств на основе плазмонного резонанса на кластерах серебра. Сборник материалов победителей и призеров XXI республиканского конкурса научно-исследовательских работ студентов, молодых ученых и специалистов "Наука XXI века" Чебоксары-2013.
Васильев А.И., Кочаков В.Д. Влияние отжига на физические свойства металлоуглеродных пленок. Вестник Чувашского университета. 2011. № 3. С. 189–192.
Кочаков В.Д., Смирнов А.В., Васильев А.И., Кокшина А.В., Краснова А.Г. Особенности взаимодействия атомов серебра с пленкой линейно-цепочечного углерода. "Альтернативная энергетика и экология". № 17. 2014. С. 78–83.
Kreibig U., Vollmer M. Optical properties of metal clusters. Berlin: Springer-Verlag, 1995. 532 p.
Jiang T. et al. Tunable Ag surface-plasmon-resonance wavelength and its application on the photochromic behavior of TiO2–Ag films. Superlattices and Microstructures. V. 46. Issues 1–2, July–August 2009. PP. 159–165.
Abrukov V.S., Karlovich E.V., Afanasyev V.N., Semenov Y.V., Abrukov S.V. Сreation of propellant combustion models by means of data mining tools. International Journal of Energetic Materials and Chemical Propulsion. 2010. V. 9. № 5. PP. 385–396.
Abrukov V., Lukin A., Anufrieva D., Oommen C., Sanalkumar V., Chandrasekaran N., Bharath R. Recent Advancements in Study of Effects of Nano Micro Additives on Solid Propellants Combustion by Means of the Data Science Methods. Defence Science Journal. 2019. 69(1). PP. 20–26.
Chandrasekaran N., Oommen C., Sanalkumar V.R., Abrukov V.S., Lukin A.N., Anufrieva D.A. Prediction of Detonation Velocity and N-O Composition of High Energy C-H-N-O Explosives by Means of the Data Science Methods. Prop., Explos., Pyrotech. 2019. V. 44. № 5. PP. 579–587.
Mariappan A., Choi H., Abrukov V.S., Anufrieva D.A., Lukin A.N., Sankar V., Sanalkumar V.R. The Application of Energetic Materials Genome Approach for Development of the Solid Propellants Through the Space Debris Recycling at the Space Platform. Proceedings of the Conference: "AIAA Propulsion and Energy 2020 Forum" AIAA 2020-3898. https://doi.org/10.2514/6.2020-3898
Abrukov V.S., Anufrieva D.A., Sanalkumar V.R., Mariappan A. Multifactor Computational Models of the Effect of Catalysts on the Combustion of Ballistic Powders (experimental results of Denisyuk team) Direct Tasks, Virtual Experiments and Inverse Problems. 2020. 1–20. https://doi.org/10.13140/RG.2.2.36521.01125
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
Отзывы читателей
