1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Известия РАН. Серия физическая
  4. T. 85, № 12, 2021

Известия РАН. Серия физическая, 2021, T. 85, № 12, стр. 1754-1757

Точечная агломерация нанопроволок никеля и железа, синтезированных в порах трековых мембран

Н. П. Ковалец 1, *, Д. В. Панов 1, 2, Ю. А. Филиппова 1, И. В. Разумовская 1

1 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования “Московский педагогический государственный университет”
Москва, Россия

2 Федеральное государственное учреждение “Федеральный научный исследовательский центр “Кристаллография и фотоника” Российской академии наук”
Москва, Россия

* E-mail: zabalueva_1991@mail.ru

Поступила в редакцию 05.07.2021
После доработки 26.07.2021
Принята к публикации 27.08.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

В нанопористых матрицах из полиэтилентерефталатных трековых мембран синтезированы металлические нанопроволоки Ni и Fe различной длины. Показано, что при сушке образцов наблюдается точечная агломерация концов нанопроволоки при длинах, соответствующих теоретическим оценкам. Точечный контакт нанопроволоки может быть использован в технике поверхностно-усиленного комбинационного рассеяния света (SERS).

ВВЕДЕНИЕ

Получение металлических нанопроволок (НП) вызывает интерес благодаря особенным электрическим, магнитным и механическим свойствам этих структур и большому количеству возможных применений. В частности, массив серебряных (золотых, медных) НП используется в качестве подложек для поверхностно-усиленного комбинационного рассеяния света (SERS). Сигнал от молекулы, помещенной на такую подложку, может быть увеличен на несколько порядков в случае, если вершины двух НП расположены очень близко друг к другу [1–5]. Шаблонный синтез известен как универсальный и простой метод получения металлических НП и нанотрубок [6, 7].

Структурные характеристики массивов НП включают в себя геометрические параметры, такие как радиус r НП, ее длина L, расстояние d между НП. Величина радиуса НП и среднее расстояние между НП наследуются от параметров трековой мембраны (ТМ) ($d = \frac{1}{{\sqrt n }},$ где n – поверхностная плотность пор). Длина НП может варьироваться по желанию экспериментатора вплоть до величины, равной толщине ТМ.

Ранее было установлено, что при точечной агломерации концов НП серебра наблюдается Гигантское комбинационное рассеяние [4, 8]. Точечная агломерация возникает при определенном соотношении геометрических параметров массива НП (R, L, d). В работе [9] был предложен энергетический критерий слипания двух жестко закрепленных НП в среде (что исключает влияние капиллярных эффектов). Применение критерия к точечному контакту концов серебряных НП дало хорошее согласие с экспериментальными данными. В данной работе критерий проверяется для массивов НП из Ni и Fe. Кроме того, приводится расчет на базе энергетического критерия частного случая прилипания единичной НП к жесткой поверхности. Подобные ситуации могут возникать применительно к микро- и наномеханизмам.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В качестве матриц в эксперименте использовали промышленные ТМ из полиэтилентерефталата с диаметром пор 100 нм и поверхностной плотностью 109 см–2, изготовленные в Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н. Флерова ОИЯИ (Дубна). Толщина пленки составляла 10 мкм. Для формирования токопроводящего слоя на ТМ напылялся тонкий слой серебра (50–60 нм), который на следующем этапе был гальванически укреплен медью (рис. 1). Для электроосаждения Ni и Fe в поры в ТМ использовали сернокислые электролиты: для осаждения никеля в поры: NiSO4⋅7H2O – 240 г/л; NiCl⋅6H2O – 30 г/л; H3BO3 – 45 г/л; C6H8O6 – 1 г/л; C12H25SO4Na – <1 г/л; для железа: FeSO4⋅7H2O – 120 г/л; H3BO3 – 45 г/л; C6H8O6 – 1 г/л; C12H25SO4Na – <1 г/л. В случае осаждения никеля проводили процесс осаждения в гальваностатическом режиме при токе 1 мА, железные НП получали в потенциостатическом режиме при напряжении 1.2 В. Время осаждения варьировалось от 10 до 100 с для никелевых НП, от 80 до 1500 с для железных НП. Длина НП варьировалась в зависимости от времени заполнения пор и составляла от 1 до 10 мкм. Затем полимерный шаблон с НП внутри пор отмывали от электролита и растворяли в концентрированном растворе щелочи (6M NaOH) при температуре 60°С. После растворения шаблона металлические подложки с НП промывали в дистиллированной воде.

Рис. 1.

Схематическая иллюстрация процесса получения металлических НП.

Критический радиус кривизны согнутых НП, при которой они слипаются только на конце, определяли по формуле [9]:

${{R}_{{\text{*}}}} \approx \sqrt {\frac{{E{{\pi }}{{r}^{3}}}}{{16{{\alpha }}}}} ,$
где ${{\alpha }}$ – коэффициент поверхностного натяжения, E – модуль Юнга.

Далее графическим методом определяли критическую длину (высоту) НП L*, на которой начинается агломерация. Если длина НП меньше L*, НП вообще не слипаются. При длине L, близкой к L*, начинается точечное слипание концов НП. При длинах НП, заметно превышающих L*, контакт уже не точечный, слипание охватывает заметную часть всей длины НП.

Для никелевых НП получено L* = 2.1 мкм, для железных – L* = 2.2 мкм. Критические длины НП были определены также экспериментально (рис. 2).

Рис. 2.

Массивы железных (а, б) и никелевых (в, г) НП диаметром 100 нм. Изображения получены на сканирующем электронном микроскопе JCM-6000plus (JEOL).

Для железных НП:

1.4 ≤ L ≤ 1.6 мкм – агломерации НП не происходит, наблюдаются отдельно стоящие НП (рис. 2а);

2.3 ≤ L ≤ 3.1 мкм – начало агломерации, НП слипаются точечно (рис. 2б);

L ≥ 1.0 мкм – четко наблюдается агломерация НП по всему образцу.

Для никелевых НП:

1 ≤ L ≤ 1.8 мкм – агломерация НП не происходит, наблюдаются отдельно стоящие НП (рис. 2в);

2.3 ≤ L ≤ 3 мкм – начало агломерации, НП слипаются точечно (рис. 2г).

Таким образом, теоретические оценки для железных и никелевых НП достаточно хорошо согласуются с экспериментальными данными. При оценке результатов следует учитывать, что в теоретические формулы входит среднее расстояние d между НП, в действительности в расстоянии между НП существует заметный разброс.

Как упоминалось выше, энергетический критерий [9] может быть модифицирован для других случаев агломерации НП. Ниже приводятся результаты расчета точечной агломерации одиночной НП на жесткой подложке к вертикальной стенке (материал НП и стенки произвольные).

Рис. 3.

Модель прилипания НП к стенке и геометрические параметры модели.

Изгиб НП соответствует окружности радиуса R, являющейся функцией от L. Обозначим всю длину НП – L0; не слипшуюся на данный момент длину обозначим L. Расстояние до стенки равно r1, радиус НП равен r.

Точечная агломерация НП с поверхностью возникает при некотором значении L = L* и соответствующем R* = R(L*).

Расчет, аналогичный [9], дает для R* выражение, отличающееся от случая точечной агломерации двух НП только множителем $\sqrt 2 $

$R = \sqrt {\frac{{E\pi {{r}^{4}}}}{{16\alpha {\text{Ф}}(r)}}} = \sqrt {\frac{{E{{\pi }}{{r}^{3}}}}{{32{{\alpha }}}}} ,$
где α – поверхностная энергия на границе “материал НП–материал стенки”.

Отличие от результата [9] связано с тем, что в данном случае существует конкуренция между поверхностной энергией взаимодействующих поверхностей и упругой энергией только одной изогнутой НП.

При графическом расчете величины L* расстояние r1 между НП и стенкой входит как параметр.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Массивы никелевых и железных НП разной длины синтезированы в полиэтилентерефталатной матрице из ТМ. Теоретически рассчитанные условия точечной агломерации вершин НП соответствуют результатам эксперимента. Применен энергетический критерий для случая точечной агломерации одиночной НП с вертикальной поверхностью.

Работа выполнена по теме государственного задания Московского педагогического государственного университета (МПГУ) “Физика наноструктурированных материалов: фундаментальные исследования и приложения в материаловедении, нанотехнологиях и фотонике” при поддержке Министерства Просвещения Российской Федерации (AAAA-A20-120061890084-9) совместно с Центром коллективного пользования “Структурная диагностика материалов” Федерального исследовательского центра РАН “Кристаллография и фотоника”.

Список литературы

  1. Zhang W., Chen Y., Hu C. et al. // J. Mater. Chem. C. 2013. V. 1. No. 6. P. 1265.

  2. Ермушев А.В., Мчедлишвили Б.В., Олейников В.А., Петухов А.В. // Квант. электрон. 1993. Т. 20. № 5. С. 503; Ermushev A.V., Mchedlishvili B.V., Oleinikov V.A., Petukhov A.V. // Quant. Electron. 1993. V. 23. No. 5. P. 435.

  3. Michaels A.M., Jiang J., Brus L. // J. Phys. Chem. B. 2000. V. 104(50). Art. No. 11965.

  4. Kozhina E.P., Bedin S.A., Nechaeva N.L. et al. // Appl. Sci. 2021. V. 11. No. 4. P. 1375.

  5. Кукушкин В.И., Кирпичев В.Е., Морозова Е.Н. и др. // Письма в ЖЭТФ. 2020. Т. 112. № 1. С. 38.

  6. Yin A.J., Li J., Jian W. et al. // Appl. Phys. Lett. 2001. V. 79. No. 7. P. 1039.

  7. Бедин С.А., Рыбалко О.Г., Поляков Н.Б. и др. // Персп. матер. 2010. № 1. С. 98; Bedin S.A., Rybalko O.G., Polyakov N.B. et al. // Inorg. Mater. Appl. Res. 2010. V. 1. P. 359.

  8. Ковалец Н.П., Кожина Е.П., Долуденко И.М. и др. // Изв. РАН. Сер. физ. 2021. Т. 85. № 8. С. 1095; Kovalets N.P., Kozhina E.P., Doludenko I.M. et al. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2021. V. 85. No. 8. P. 1097.

  9. Разумовская И.В., Ковалец Н.П., Бедин С.А., Григорьев Ю.В. // ЖЭТФ 2021. Т. 159. № 5. С. 818; Razumovskaya I.V., Kovalets N.P., Bedin S.A., Grigor’ev Yu.V. // JETP. 2021. V. 132. No. 5. P. 818.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Известия РАН. Серия физическая

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал