Свет и вещество в суспензиях и тонкопленочных самосборках нанотрубок дисульфида вольфрама взаимодействуют между собой по уникальному механизму. Эти нанотрубки – один из самых известных и “старейших” аналогов углеродных нанотрубок. Результаты работы опубликованы в журнале Physical Chemistry Chemical Physics, она выполнен при поддержке гранта Российского научного фонда (РНФ). В работе впервые детально рассмотрены оптические свойства неорганических нанотрубок на основе дисульфида вольфрама, которые открыл в 1992 году профессор Решеф Тенне (Институт Вейцмана, Израиль). Несмотря на то, что к настоящему времени дисульфидные нанотубулярные структуры синтезируют в полупромышленном масштабе, на их основе разработали ряд нанокомпозитов и электронных устройств, долгое время в изучении оптических свойств дисульфидных нанотрубок было много пробелов.
Особенности оптических свойств дисульфидных нанотрубок. Евгений Гудилин/МГУ
На основании впервые проведенных комплексных измерений оптических свойств суспензий нанотрубок WS2 ученые из Института Вейцмана и МГУ имени М.В. Ломоносова показали, что такие наноструктуры сильно рассеивают свет, вклад которого маскирует экситонные пики, проявляющиеся лишь в спектрах истинного поглощения и практически в точности совпадающие по энергии с экситонными пиками в объемном WS2.
Нанотубулярные структуры на основе дисульфида вольфрама. Евгений Гудилин/МГУ
Более детальное экспериментальное изучение оптических спектров экстинкции и отражения, подкрепленное моделированием методом конечных разностей во временной области и по феноменологической модели связанных осцилляторов, показало, что свет сильно взаимодействует с веществом. Также ученые выяснили, что в рассматриваемой системе формируются экситоны-поляритоны. Было установлено, что нанотрубки WS2 играют роль квазиодномерных поляритонных наносистем и проявляют одновременно экситонные особенности и резонаторные моды в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах.
Более детальное экспериментальное изучение оптических спектров экстинкции и отражения, подтвержденное моделированием методом конечных разностей во временной области и по феноменологической модели связанных осцилляторов показало сильное взаимодействие света с веществом и формирование экситон-поляритонов в рассматриваемой системе. Установлено, что нанотрубки WS2 играют роль квазиодномерных поляритонных наносистем и проявляют одновременно экситонные особенности и резонаторные моды в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. «Результаты, полученные в данном масштабном международном исследовании, позволяют рассматривать нанотрубки дисульфида вольфрама в качестве основы для новых фотонных устройств, элементов оптических схем.
Кроме того, знания о столь нетривиальных оптических особенностях данных наноструктур позволят по-новому взглянуть на свойства композитов плазмонных наночастиц золота и серебра с дисульфидными нанотрубками, активно разрабатываемых молодыми учёными факультета наук о материалах МГУ. Нанотрубки дисульфида вольфрама являются уникальными наноструктурами, совмещающими преимущества тубулярного состояния, широко известного на примере углеродных нанотрубок, и физико-химических свойств дисульфида вольфрама, относящегося к классу слоистых дихалькогенидов переходных элементов. Нанотубулярное состояние обуславливает способность упрочнять полимеры и полимерные нанокомпозиты.
Нанотрубки дисульфида вольфрама, как при промышленном, так и при лабораторном синтезе практически в 100% случаев являются многостенными, и поэтому обладают сравнительно высокой механической жёсткостью. В отличие от углеродных нанотрубок, зачастую закручивающихся в спирали или формирующих переплетённые агрегаты, нанотрубки WS2 остаются прямыми, что в ряде случаев благотворно сказывается на механических свойствах нанокомпозитов на их основе. Нанотрубки дисульфида вольфрама также оказались более эффективными, чем углеродные и бор-нитридные нанотрубки при использовании во вращательных резонаторах (torsional resonators).
Также недавно в нанотрубках WS2 была обнаружена сверхпроводимость, связанная с хиральностью данных наноструктур. Что касается свойств нанотрубок, связанных с физико-химическими особенностями дисульфида вольфрама, то это возможность создания катализаторов гидрообессеривания нефтепродуктов на их основе (путём модификации наночастицами кобальта или никеля), а также потенциальное использование в качестве катализатора для генерации водорода. В общем случае в данных применениях проще и эффективнее использовать монослоевые дисульфидные наночешуйки – аналоги графеновых листов, однако в случае использования нанотрубок можно добиться трёхмерного упорядочения частиц катализатора, создать так называемый “лес” из нанотубулярных частиц.
Собственно, свойства непрямозонного полупроводника с шириной запрещённой зоны, соответствующей видимому/ближнему инфракрасному диапазону (1,3 эВ – непрямой переход, 2,00-2,05 эВ – прямой переход) также унаследованы нанотрубками от объёмного дисульфида вольфрама. Именно благодаря этому дисульфидные нанотрубки хорошо поглощают видимый свет и могут использоваться в устройствах аккумулирования световой энергии (light-harvesting).
В то же время в нашей свежей статье, о которой сообщает пресс-служба МГУ, мы показали, что эти нанотрубки не только поглощают видимый свет, но и очень необычным образом взаимодействуют с ним, образуя экситон-поляритоны. В целом, плазмон-поляритонные устройства сейчас активно обсуждаются в научном мире – на их основе разрабатываются новые лазеры с очень низким порогом лазерной генерации, оптические переключатели. Дисульфидным нанотрубкам пока ещё только предстоит быть протестированными в данных аспектах.
Источники: https://indicator.ru/, http://www.nanometer.ru/
Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!
