Исследование влияния результата наноструктурирования поверхности на спектр отражения и микротвердость KBr и BaF 2

Наряду с классическими оптическими материалами и методами расчета их характеристик [1], [5], [6], в последнее время большое внимание уделяется изучению влияния процесса наноструктурирования, в том числе углеродными нанотрубками, с целью модификации объемных и поверхностных свойств «мягких» материалов УФ- и ИК-диапазонов оптического спектра. К группе «мягких» материалов зачастую относят неорганические структуры на основе фторидов бария, кальция, магния, хлоридов натрия и калия, бромида калия и др. Данные системы без модификации их свойств разными методами упрочнения по критерию проявления именно прочностных характеристик (прочность на истирание, микротвердость и др.) сравнимы с таковыми параметрами для органических пластических материалов. В данной статье исследуется влияние углеродных нанотрубок (УНТ) на спектр отражения оптических материалов: бромида калия КBr и фторида бария BaF₂, а также на их прочностные параметры. В качестве метода нанесения углеродных нанотрубок использовался метод, описанный в работах [3], [7]. Формирование слоя на границе раздела «поверхность материала – углеродная нанотрубка» позволяет несколько уменьшить потери Френеля в силу малости показателя преломления углеродных нанотрубок n = 1,1; потери Френеля могут быть изменены от единиц процентов (~4 и 8 % от одной до двух необработанных поверхностей оптического материала KBr или BaF₂) до долей процентов (0,2 и 0,4 % от одной и двух обработанных поверхностей соответственно).

Для нормального падения света коэффициент отражения дается известным соотношением [2]:

R ₁₂ = [( n ₂ – n ₁ )/( n ₂ + n ₁ )]².               (1)

На границе раздела сред «воздух – образец» бромида калия при коэффициенте преломления воздуха n ₁ = 1 и коэффициенте преломления КBr в рабочей области, например, 1,014 мкм n ₂ = 1,54425 отражение составит 4,51 % без нанесенных нанотрубок.

Зададим показатель преломления n ₂ с учетом таковой величины для углеродных нанотрубок, то есть введем n ₃ = 1,1:

R ₁₂ = [( n ₃ – n ₁ ) / ( n ₃ + n ₁ )]². (2)

В этом случае теоретически получаем коэффициент отражения 0,22 % при осаждении наноструктур на поверхность подложки.

Для экспериментальной проверки данного факта было проведено лазерное напыление УНТ в смеси с углеродными нановолокнами и собрана экспериментальная установка для проверки уменьшения коэффициента отражения . На рисунке приведены экспериментально полученные спектры отражения для материалов на основе KBr и BaF2 до и после нанесения углеродных нанотрубок.

Спектр отражения оптических материалов KBr, BaF2 в инфракрасной области спектра (2000–30 000 нм): 1 – чистый KBr, 2 – наноструктурированный KBr, 3 – чистый BaF2, 4 – наноструктурированный BaF2

Параллельно спектральным измерениям были сделаны эксперименты по определению микротвердости KBr и BaF₂ до и после нанесения углеродных нанотрубок; использовался микротвердомер ПМТ-3М (разработки ОАО «ЛОМО», Санкт-Петербург). Данные приведены в таблице. Сравнительные данные по микротвeрдости для чистых и наноструктурированных образцов KBr (нагрузка на индентор 10 г)

и BaF2 (нагрузка на индентор 20 г)

* Среднее значение микротвердости было определено по 10 измерениям.

Итак, уже на первом этапе изучения влияния наноструктурирования на KBr и BaF2 можно сделать следующие выводы.

• 1.    Процесс наноструктурирования KBr, BaF₂ в ИК-диапазоне не всегда однозначно приводит к существенному изменению спектра отражения на разных длинах волн. Однако в указанном спектральном диапазоне (см. рисунок) получено небольшое изменение в спектре отражения. Наблюдаемый выигрыш при наноструктурировании поверхности, например, образцов KBr (c толщиной 6,08 mm), по результатам проведенных исследований в инфракрасной области спектра, составляет ~0,1 %, а для образцов BaF₂ (c толщиной 3,2 mm) ~0,1 %. Погрешность измерений на указанной установке составляла ~0,01 %, что бывает необходимым при реше-

• нии таких, например, задач, как регистрация слабых сигналов фоточувствительными датчиками, защищенными «мягкими» оптическими материалами. Малое изменение в коэффициенте отражения, по-видимому, возможно объяснить двумя причинами: во-первых, использованием смеси углеродных наноструктур, а не одностенных УНТ, дающих рельеф с уменьшением шероховатости поверхности вдвое; во-вторых, тем фактом, что при диаметре нанотрубок и нановолокон в диапазоне 6–10 nm возможно попадание приповерхностных слоев матричного материала при частичной лазерной абляции внутрь нанотрубок, как было показано ранее для других систем в работе [4], что нивелирует ожидаемую разницу в показателях преломления и влияет на малые изменения в потерях на отражение; в-третьих, поскольку основным элементом приставки зеркального отражения является призма, обеспечивающая отражение света от поверхности анализируемого образца под определенным углом, нельзя отрицать тот факт, что, возможно, угол подобран для данного спектрального диапазона не совсем точно.

• 2.    Очевидно, что выбор типа углеродных наноструктур, а также первичная обработка поверхности данных матричных материалов (шлифовка, полировка и др.), еще до проведения процесса лазерного нанесения с последующим ориентированием углеродных наноструктур в электрическом поле существенна для получения соответствия между теоретическими расчетами и экспериментальными данными по изучению потерь на отражение.

БЛАГОДАРНОСТИ

Авторы благодарят В. Е. Ваганова и И. В. Мишакова, а также выражают признательность П. Я. Васильеву, В. И. Студёнову (ФГУП «НПК “ГОИ им. С. И. Вавилова”») и Н. Н. Рожковой (КарНЦ РАН, г. Петрозаводск).

• *    Работа была поддержана грантом РФФИ № 10-03-00916, а также ФЦП НТБ программой, проект «Модулятор с ПЭВ».