Закономірності формування об ємних періодичних структур полімер-наночастинки голографічним методом

Jazyk: ukrajinština
Rok vydání: 2014
Předmět:
Popis: Роботу виконано та захищено в Інституті фізики НАН України. Кохтич Л. M. Закономірності формування об'ємних періодичних структур полімер-наночастинки голографічним методом. - На правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.05 - оптика, лазерна фізика. - Інститут фізики НАЛ України, Київ, 2014. У дисертації представлено результати дослідження об'ємних періодичних структур полімер - НЧ різної природи, отриманих голографічним методом. В роботі вперше показана можливість отримання стабільних об'ємних структур з НЧ металу шляхом синтезу НЧ з прекурсору металу, попередньо розподіленого в полімерній матриці. Розроблені та оптимізовані органо-неорганічні нанокомпозити, чутливі в діапазоні 400-520 нм, основані на комерційних доступних акрилових мономерах, які забезпечують ефективний дифузний перерозподіл НЧ різної природи та прекурсору НЧ в полімерній матриці. Досліджені голографічні властивості отриманих нанокомпозитів та механізми впорядкування НЧ. З використанням НЧ різної природи (TiO2, SiO2, ZrO2, LaPO4, CdSe/ZnS, прекурсору НЧ Ag) отримані стабільні об'ємні структури (ґратки пропускаючого типу) з періодом 0.3 - 3 мкм і амплітудою модуляції показника заломлення 0.005 - 0.026, що в деяких випадках на порядок перевищує раніше досягнуті величини. Досліджено дифракційні, люмінесцентні та лазерні властивості періодичних структур з НЧ різних типів. Kokhtych L.M. Regularities in formation of volume periodic structures polymer – nanoparticles by the holographic method. – Used only as a manuscript. This thesis is for obtaining the scientific degree candidate of sciences (physics and mathematics) by the specialty 01.04.05 – optics, laser physics. – Institute for Physics, NAS of Ukraine, – Kyiv, 2014. The results of study of volume periodic structures polymer – nanoparticles (NP) of different kinds fabricated by holographic method are introduced in this thesis. For the first time it was shown the possibility to obtain the stable volume structures polymer – metal NP by using the synthesis of NP from the metal precursor preliminary distributed in a polymer matrix. Based on commercially available acryl monomers organic-inorganic nanocomposites light-sensitive within the range 400 – 520 nm have been developed and optimized. These materials provide efficient diffusion redistribution of NP and NP precursor in polymer matrix. Holographic properties of the obtained nanocomposites as well as the mechanism of NP ordering have been investigated. Using of NP of various nature (TiO2, SiO2, ZrO2, LaPO4, CdSe/ZnS, precursor of Ag NP), we have obtained stable volume transmission gratings with the period 0.3 - 3 µm and the amplitude of refractive index modulation from 0.005 up to 0.026, that sometimes exceeds by one order the values reached earlier. Diffraction, luminescent and laser properties of the obtained structures were also investigated. Кохтич Л. М. Закономерности формирования объемных периодических структур полимер-наночастицы голографическим методом. - На правах рукописи. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.05 – оптика, лазерная физика. – Институт физики НАН Украины, Киев, 2014. В диссертации представлены результаты исследования особенностей формирования периодических структур полимер – НЧ различной природы: SiO2, LaPO4:Ce,Tb, CdSe/ZnS, TiO2, ZrO2 и Ag голографическим методом. Для достижения поставленных задач, в отличие от известных двухкомпонентных систем, включающих мономер и НЧ, была реализованная идея использования трьохкомпонентной системы, базирующейся на двух акриловых мономерах с разным количеством двойных связей (CH=CH2)m и разной реакционной способностью. Установлено, что оптимальной мономерной составляющей является смесь поли- и однофункционального мономеров. Первый должен иметь высокую скорость полимеризации и формировать трехмерную полимерную сетку, второй, с низкой скоростью полимеризации, – образовывать линейные полимерные цепи и иметь низкое термодинамическое сродство к полимерной сетке, что способствует вытеснению низкореакционного мономера и НЧ из максимумов светового поля в минимумы поля. Показано, что наиболее универсальным вариантом является мономерная смесь, которая состоит с SR444 (m=3) и IBA (m=1). Она обеспечивает эффективное пространственное перераспределение компонент для всех исследуемых НЧ. Использование других комбинаций может обеспечивать дополнительные свойства структур. Для получения высокого контраста структуры, нанокомпозит должен включать не менее 10об.% НЧ. Детально исследован механизм формирования периодических структур полимер - НЧ и усовершенствована его полимеризационно-дифузная модель. Определено влияние фазового разделения, вязкости среды, концентрации мономеров и НЧ на степень их пространственного перераспределения и, соответственно, эффективность структуры. Упорядочение НЧ в полимерной матрице происходит вследствие неоднородной полимеризации и диффузионного перераспределения компонент композита в пространственно периодическом поле. Относительная модуляция объемной концентрации НЧ достигается при концентрационном соотношении SR444:IBA 30:70вес.% составляет 85-99%. В результате, формируется объемная структура, эффективность которой определяется различием показателей преломления в облученных и необлученных областях решетки и степенью пространственного перераспределения компонент. Амплитуда модуляции показателя преломления n1 определяется также соотношением характерных времен полимеризации и диффузионного массопереноса на расстояние порядка периода поля. Максимальное n1 достигается в случае, когда диффузионный массоперенос происходит быстрее, чем формирование полимерной сетки, что определяется условиями голографической экспозиции: интенсивностью и периодом поля, которые составляют I=0.8÷9мВт/см2, Λ= 0.8÷1.2 мкм, соответственно. С использованием НЧ различной природы получены объемные периодические структуры с периодом 0.4 – 2 мкм и величиной n1 0.005 – 0.026, что существенно превышает величины, достигнутые для тех же НЧ в композитах, включающих один мономер. В работе впервые показана возможность получения стабильных объемных структур полимер - НЧ металла с высоким содержанием НЧ и низким уровнем дефектности. Формирование структур происходит в результате синтеза НЧ из металлического прекурсора, периодически распределенного в полимерной матрице. На первом этапе при фотополимеризации в интерференционном поле формируется стабильная периодическая структура (объемная решетка) полимер – металлический прекурсор. Образование НЧ металла происходит, главным образом, после голографической записи вследствие термической обработки. Фотостабильность решеток обеспечивается необратимым диффузионным разделением компонент в процессе записи. В зависимости от условий записи и используемого инициатора средний диаметр НЧ составляет 5 и 3 нм. Образование НЧ серебра подтверждено электронно-микроскопическими и спектральными исследованиями. Исследовано механизмы фото- и термостимулированного синтеза НЧ в полимерных слоях. Для структур с периодом 0.3 – 3 мкм показано, что термоиндуцированный синтез НЧ Ag обеспечивает максимальное значение n1 = 0.02, что в два раза превышает величину, полученную при фотоиндуцированном восстановлении. Предложена наиболее вероятная схема восстановления Ag+ и образования НЧ серебра в периодических структурах. Исследованы дифракционные, люминесцентные и лазерные свойства периодических структур с НЧ различных типов. На базе разработанных материалов изготовлены голографические оптические элементы 1D-2D размерности и РЗЗ-структуры. Стабильность параметров структур сохраняется не менее 8 лет. Дифракционная эффективность одномерных структур на длинах волн 440-650 нм составляет 80-99%, двумерных – 65-70%.
Databáze: OpenAIRE
Externí odkaz: