Исследование спектральных и колористических свойств систем ультрадисперсных металлических частиц и методы их оптической диагностики тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК БЕЛАРУСИ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ имени Б.И. СТЕПАНОВА

УДК 541. 65 + 535. 43 + 535. 362 + 535. 662. 2

Сишок Александр Фраицевич

ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРАЛЬНЫХ И КОЛОРИСТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СИСТЕМ УЛЬТРАДИСПЕРСНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЧАСТИЦ И МЕТОДЫ ИХ ОПТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ

Специальность 01.04.05 - Оптика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Минск, 1997

Работа выполнена в Институте физики им. Б.И. Степанова HAH Беларуси

Научные руководители: Доктор физико-математических

наук, профессор А.П. Пршпивалко

Доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник СЛ. Ощепков

Официальные оппоненты-. Доктор физико-математических

наук, профессор H.H. Роговцов

Кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник В.Н. Щербаков

Оппонирующая организация: Белорусский государственный университет

Защита диссертации состоится 1997г. в /^часов мин. на

заседании совета по защите диссертаций Д 01. 05. 01 в Институте физики им. Б.И. Степанова HAH Беларуси (220072, Минск, пр. Ф. Скорины, 68)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики им. Б.И. Степанова HAH Беларуси

Автореферат разослан 1997г.

4-.

Ученый секретарь совета доктор физико-математических наук ^ --A.A. Афанасьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Акгуальность темы диссертационной работы обусловлена необходимостью решения задач теоретического описания спектральных и колористических свойств систем малых металлических частиц и использованием полученных результатов при решении практических задач создания, оптимизации и прогнозирования новых композиционных материалов на основе ультрадисперсных сред (Свиридов и др., 1987, Артемьев, 1988).

Существует целый ряд теоретических работ, в которых анализ влияния параметров микроструктуры на цвет металлических коллоидов выполнен в приближении однократного рассеяния света (см., например, Kerker, 1985). Вместе с тем, учет многократного рассеяния света в таких средах становится весьма существенным при описании спектральных и колористических свойств образцов с достаточно высокой объемной концентрацией частиц, которая необходима для получения насыщенных (ярких) цветов.

Оптические свойства ультрадисперсных металлических частиц (УМЧ) таковы, что вклад рассеяния в общее ослабление излучения при увеличении размеров частиц в области от 10 до 100им оказывается довольно значительным (например, до 70% в максимуме ослабления света, соответствующем возбуждению первой поверхностной моды в частицах серебра с размерами 50нм). При этом существенное влияние на формирование спектральных и колористических характеристик систем малых металлических частиц при вариации параметров микроструктуры в условиях многократного рассеяния излучения может оказывать зависимость соотношения рассеянного и поглощенного чаешцами света от их размера (Kerker, 1985)

Задача, связанная с изучением влияния на рассматриваемые характеристики размерного эффекта (то есть зависимости комплексного показателя преломления частиц от их размера) так же представляет интерес с точки зрения оптимизации спектральных и колористических свойств дисперсных систем типа коллоидов малых металлических частиц.

При исследованиях различных физических явлений, реализующихся в дисперсных средах, а так же путей оптимизации спектральных и колористических свойств металлических коллоидов всегда возникает проблема определения микроструктуры. Особенно важное значение, однако, она приобретает при изучении размерного эффекта.

В этом случае, параметры, характеризующие взаимодействие между частицами и электромагнитным излучением (оптические постоянные) для частиц с различающимися размерами различны. Поэтому, наличие распределения по размерам приводит к статистическому усреднению физических параметров, результат которого зависит от вида функции распределения частиц по размерам. При этом изменение параметров функции распределения может приводить не только к количественному, но и качественному изменению свойств ультрадисперсных сред (Морохов, Трусов и Лаповок, 1982).

Обычно при изучении размерного эффекта, определение спектра размеров частиц производится независимыми методами электронной микроскопии или методами, использующимися в физике твердого тела (например, рентгеноструктурный анализ). Представляет также интерес получение информации о функции распределения частиц по размерам (ФРЧ) методами светорассеяния или спектрального поглощения, в том числе на основе тех измерений, которые используются при изучении оптических проявлений размерного эффекта. С одной стороны, это позволило бы сократить объем необходимых измерений, а с другой - расширить диапазон подходов к исследованию оптических свойств уяьтрадисперсных металлических частиц.

Возможности применения методов оптической диагностики для определения параметров микроструктуры ультрадисперсных сред и перспективы их использования для изучения явления размерного эффекта в настоящее время практически не изучены. Это делает весьма актуальным исследование указанных возможностей и перспектив применимости оптических методов к системам УМЧ.

Таким образом, актуальность темы диссертационной работы обусловлена необходимостью решения отмеченных задач, которые наряду с общетеоретическим имеют важное научно-практическое значение в оптике УМЧ.

Цель работы состояла в выяснении закономерностей формирования спектральных и колористических характеристик систем УМЧ и расширении диапазона применимости методов оптической диагностики для определения параметров микроструктуры ультрадисперсных металлических сред, а также в использовании этих методов для исследования явления размерного эффекта.

В соответствии с поставленной целью в работе сформулированы следующие

задачи.

1. Исследование закономерностей изменения спектральных и колористических свойств систем УМЧ под влиянием вариаций параметров их микроструктуры в условиях многократного рассеяния света.

2. Анализ информативности спектров показателя ослабления в УФ- и видимом диапазонах спектра относительно параметров микроструктуры систем УМЧ.

3. Разработка программного обеспечения для решения обратной задачи восстановления размерного состава систем УМ1! из оптических измерений.

4. Модификация модели 01раничсния средней длины свободной) пробега электронов проводимости для описания размерного эффекта в системах УМЧ с различной степенью взаимодействия частиц с веществом матрицы.

5. Исследование возможности определения фепомепологнчсских параметров модели, описывающей размерпый эффект, и функции распределения частиц по размерам из оптических измерений.

Научная новизна работы состоит в следующем.

1. Определены закономерности изменения колористических и спектральных характеристик систем УМЧ, связанные с явлениями размерного эффекта и многократного рассеяния света, а также с изменением размеров и концентрации частиц.

2. Впервые установлена возможность использования методов оптической диагностики для определения параметров дисперсного состава систем УМЧ и определены Капицы их применимости.

3. Проанализирована точность решения обратной задачи восстановления размерного состава систем УМЧ из спектральных измерений показателя ослабления света.

4. Предложена модификация модели ограничения средней длины свободного пробега электронов проводимости, позволяющая учесть сдвиг максимума плазмонного поглощения света системами УМЧ.

5. Впервые показана возможность восстановления феноменологических параметров модели, описывающей размерный эффект, в системах УМЧ по спектрам показателя ослабления.

Практическая значимость полученных результатов состоит в том, что примененная в работе методика расчетов и использованный методологический подход анализа спектральных и колористических свойств коллоидных систем могут найти широкое применение для оптимизации и прогнозирования колористических характеристик систем малых металлических частиц. Разработанная в работе методика определения пара-

метров микроструктуры УМЧ из оптических измерений открывает возможности использования методов оптической диагностики как для оперативного и бесконтактного контроля дисперсного состава сред, образованных УМЧ, так и для исследования явления размерного эффекта.

На защиту выносятся следующие положения.

1. Вариация размеров УМЧ позволяет управлять изменением координат цвета ультрадисперсных металлических коллоидов в относительно ограниченном диапазоне, что обусловлено одновременным возбуждением светом в УМЧ поверхностных мод различного порядка.

2. Размерный эффект в УМЧ и его учет обеспечивает возможность решения обратной задачи восстановления функции распределения по размерам ультрадисперсных металлических частиц из измерений показателя ослабления в ближней УФ - и видимой областях спектра.

3. Предложенная в работе модификация модели ограничения средней длины свободного пробега электронов проводимости позволяет учесть сдвиг максимума плазменного поглощения света системами УМЧ при описании их оптических свойств и интерпретации результатов измерений спектрального ослабления света.

Личный вклад соискателя. Результаты диссертационной работы, сформулированные в защищаемых положениях и выводах, отражают личный вклад соискателя в проведенные исследования. Научные руководители А. П. Пришивалко и С. Л. Ощепков принимали участие в выборе темы, постановке конкретных задач исследования и в обсуждении полученных результатов.

Апробация работы. Результаты по теме диссертации были представлены на Международной конференции "Ыапотесип£-95" (Минск, 1995), десятой Европейской Аэрозольной конференции (Делфт, Нидерланды, 1996).

Опублнковашшсть результатов. Основные материалы диссертации опубликованы в пяти статьях и одном препринте.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, четырех глав и выводов и содержит 101 страницу машинописного текста, включая 22 рисунка. Основной текст диссертации дополняется списком цитированной литературы, включающим 120 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Оптический размерный эффект в ультрадисперсных металлических частица*. Первая глава посвящена аналитическому обзору современного состояния теоретических и экспериментальных исследований оптического размерного эффекта в УМЧ. Рассмотрены основные особенности оптических свойств малых металлических частиц и проанализированы результаты экспериментальных исследований трансформации спектров ослабления света под влиянием размерного эффекта и дисперсионной среды (матрицы).

Проанализировали модели размерного эффекта, оспозашше па концепции квантового размерного эффекта (КРЭ) и эффекта ограничения средней дайны свободного пробега электронов проводимости (ОСДСП). Рассмотрены результаты их применения к описанию оптических свойств УМЧ. Обоснована возможность использования классической модели ОСДСП для исследования закономерностей проявления размерного эффекта в описании спектральных и колористических свойств и оптической диагностике систем УМЧ.

Глава 2. Спектральные и колористические свойства коллоидов серебра с учетом многократного рассеяния света. Вторая глава посвящена исследованию спектральных и колористических характеристик коллоидных систем ультрадисперсных частиц серебра при изменении параметров их микроструктуры в условиях многократного рассеяния света.

С использованием модели ОСДСП и четырехпотокового приближения решения уравнения переноса излучения рассчитаны спектральпые зависимости коэффициентов отражения и пропускания слоев частиц серебра в желатине на непоглощающих лавсановых подложках, освещаемых диффузным потоком излучения видимого диапазона при вариации размеров частиц от 4 до ЮОнм. В результате анализа этих зависимостей установлено, что на характер изменения исследуемых спектральных характеристик при вариациях размеров частиц существенное влияние оказывает одновременное возбуждение в частицах нескольких поверхностных мод, а так же соотношение рассеянного и поглощенного света на резонансных длинах волн, соответствующих возбуждению поверхностных мод различного порядка.

При увеличении размеров частиц серебра основное влияние на исследуемые спектральные характеристики оказывает возбуждение двух первых поверхностных мод,

что проявляется в наличии соответствующих минимумов спектральных зависимостей отражения и пропускания. При этом вклад поглощения в общее ослабление излучения для второй поверхностной моды выше, чем для первой. Это оказывает определяющее

0,340,360,380,400,420,440,460,480,500,520,54 X

Рис.1. Изменение цветности коллоидного слоя частиц серебра в желатине на лавсановой подложке в прошедшем свете при увеличении диаметров частиц ((1=5(1), 20(2) и 80 нм (3)) и освещении слоя диффузным излучением источника С при Су1=0.02мкм. Су-объемная концентрация, 1 - толщина слоя

Штриховая линия - расчеты с оптическими постоянными массивного серебра, сплошная - с учетом размерного эффекта.

влияние на изменение спектральных характеристик отражения и пропускания ультрадисперсных коллоидов серебра при вариации размеров частиц. Например, для пропускания по мере увеличения размеров частиц вначале происходит сдвиг минимумов в длинноволновую область спектра. Однако, начиная с некоторого размера направление смещения изменяется на противоположное. При этом граничное значение размера частиц зависит от степени полидислерсности среды и соотношения рассеяния и поглощения для обеих поверхностных мод.

Отмеченные особенности изменения спектральных зависимостей отражения и пропускания приводят к изменению цвета исследуемых систем серебра лишь в ограниченном спектральном диапазоне (рис.1). Этот результат согласуется с экспериментальными данными, где наблюдаемая более богатая гамма цветов коллоидов серебра в

отраженном и прошедшем цвете объясняется либо отличием формы частиц от сферической, либо агрегацией частиц.

Проанализировано влияние размерного эффекта на колористические свойства коллоидных частиц серебра, связанное с сильным уширением максимума спектрального ослабления спета отдельными частицами. Оно проявляется в существенно различном характере зависимостей цветности от размера частиц, рассчитанных с учетом и без учета размерного эффекта для размеров частиц меньших 25нм (рис.1). Влияние размерного эффекта на колористические свойства коллоидов прослеживается вплоть до размеров частиц 80нм, хотя, начиная с 25им, тенденции изменения зависимостей цветности с увеличением размера частиц становятся близкими в обоих рассматриваемых случаях.

Глава 3. Восстановление функции распределения по размерам ультраднс-персных металлически! частиц по спектрам показателя ослабления. Третья глава посвящена исследованию эффективности определения размеров УМЧ из оптических измерений методом решения обратной задачи. Среди оптических методов определения ФРЧ одним из наиболее распространенных является метод, основанный на измерениях и интерпретации спектров показателя ослабления излучения. Как правило, он применим для размеров частиц в диапазоне примерно от 0.1 до 1 мкм. Восстановление ФРЧ в области размеров меньше 0.1 мкм сталкивается с серьезными трудностями, связанными с низкой информативностью измерений относительно размеров чаоиц.

Особое внимание уделено изменению информативности спектров ослабления света системами УМЧ вследствие наличия в таких системах ярко выраженного размерного эффекта. Анализ притаи изменения информативности, проведенный в "гистограммном" представлении функции распределения частиц по размерам, показал, что ее значительный рост связан с уменьшением корреляций чувстви-телыгостей спектров ослабления к частицам разных размеров. Представлены результаты количественного анализа информативности спектров показателя ослабления в малопараметрическом представлении функции распределения частиц (рис.2). Исследования выполнены путем расчетов коэффициентов усиления погрешностей оптических измерений при одновременном восстановлении объемной концентрации, а также модального размера и относительной полуширины функции распределения объемного содержания частиц. В качестве характерного примера выбраны ультрадисиерсные частицы

(без учета размерного эффекта))

Наиболее вероятный радиус частиц г, (мкм) Наиболее вероятный радиус частиц г, (мкм)

Рис. 2 Зависимости коэффициентов усиления погрешности оптических измерений при восстановлении модального размера (2) и объемной концентрации (1) квазимонодис-персных систем частиц в зависимости от модального размера.

А§ в желатине и для сравнения - частицы сажи и гематита, не обладающие заметным размерным эффектом. Низкая информативность оптических измерений для диэлектриков находит свое отражение в очень высоких значениях погрешностей определения модального радиуса в области размеров частиц меньше примерно 0.1мкм. Размерный эффект в частицах серебра обеспечивает наиболее существенное уменьшение погрешности определения модального радиуса при размерах частиц меньше 0.01 мкм, достигающее 2-3 порядка величины.

Эффективность решения обратной задачи определения размеров УМЧ в "гистограммном" представлении функции распределения частиц по размерам проанализирована путем численных экспериментов на модельных средах с использованием ите-рационно-регуляризующего метода (Ощепков, Дубовик, 1993). В численных экспериментах использованы функции распределения частиц по размерам в диапазонах размеров меньше 0.01мкм (область релеевского приближения для рассматриваемой системы

частиц серебра) и в области 0.01<г<0.05мкм (рис.3). В обоих случаях при отсутствии размерного эффекта восстановленные распределения диэлектрических частиц практически не воспроизводят форму и положение моды истинного спектра размеров, и по

Рис. 3 Результаты восстановления размерного состава частиц серебра (1), гематита (2) и сажи (3) в сравнении с истинной функцией распределения частиц (сплошные линии без индексов).

результатам решения обратной задачи можно судить лишь об общей концентрации частиц. При тех же ошибках измерений, в отличие от рассмотренных выше диэлектриков, для частиц серебра имеет место достаточно высокая точность восстановления искомого размерного состава частиц. Это в равной степени относится и к релеевской области размеров, которая для частиц серебра в желатине отвечает условию 2т < Юнм.

В заключительной части третьей главы представлены результаты восстановления функции распределения по размерам ультрадисперсных частиц Ад из опубликованных экспериментальных данных. Исследуемые образцы представляли собой системы почти монодисперсных сферических частиц серебра в матрице 8Юг со средним размером частиц примерно 2 нм. Результаты восстановления для двух объемных концентраций частиц, описывались достаточно узкими функциями распределения с модами около указанного размера частиц (рис.4).

Глава 4 Оптическая диагностика ультраднспсрспых систем при неизвестных параметрах модели, описывающей размерный эффект. Четвертая глава посвящена модификации модели ОСДСП с целью учета зависимости сдвига максимума плаз-монного поглощения света УМЧ от их размера, а также анализу возможности определе-

ния феноменологических параметров предложенной модели одновременно с функцией распределения частиц.

Несмотря на то, что модель ОСДСП правильно описывает уширснис спектров поглощения света УМЧ, внедренными в различные матрицы, она тем не менее не описывает, наблюдаемую в целом ряде экспериментов зависимость спектрального сдвига максимумов поглощения от размера частиц. Ситуация усложняется тем, что как величина так и направление сдвига сильно зависят от типа дисперсионной среды. В этих случаях рассматриваемая модель должна быть модифицирована с учетом влияния на оптические свойства частиц как размерного эффекта так и вещества матрицы.

При модификации модели принято во внимание, что влияние размера и вещества дисперсионной среды на электронные свойства УМЧ в значительной степени опре-

0,12

0,10

2 0,08

в и с; 0,06

ю

1 0,04

О

0,02

0,00

2 3 4

Энергия фотона, (эВ)

-о

>

■о

К

В

я

V

1,0x10 8,0x10 6,0x10 4,0x10 2,0x10 0,0

М—' ПоН-р О 'О а о ' о'—Й> 0,000 0,002 0,004 0,006 ОДИ ОДН о

Радиус частиц г, (мкм)

Рис. 4 Результаты восстановления функции распределения (б) по измеренным спектрам ослабления (а-сплошные кривые) квазимонодисперсных частиц серебра со средним радиусом 1 нм при двух значениях концентрации частиц.

деляется величиной отношения поверхности частиц к объему. На этом основании основные характеристики спектров поглощения - их полуширина Г и положение резонансной частоты £УШ - представлены в виде рядов по степеням величины, обратной размеру частиц

Г Г

i \ * ь, Ъ2

г г

Показано, что для резонансной частоты можно ограничиться двумя членами разложения. Этого достаточно для качественной интерпретации размерного сдвига максимума поглощения излучения ультрадисперсными частицами Ag в различных матрицах. При этом второй коэффициент разложения (2) (¿>2) значим при сильном взаимодействии частиц п вещества окружающей среды. В то же время для полуширины спектра поглощения достаточно траничиться первым членом разложения, что реализуется в известном варианте модели ОСДСП, которая правильно описывает трансформацию формы спектров поглощения при вариации размеров частиц. В случае частиц серебра параметр aj пропорционален безразмерному феноменологическому параметру А модели ОСДСП, который характеризует влияние вещества матрицы на ширину спектров поглощения ( Hovel et al., 1993).

Показано, что для совпадения предсказаний модели ОСДСП с результатами экспериментов, в которых наблюдается зависимость й)т(г), достаточно осуществить частотный сдвиг модельного спектра в соответствии с выбранным типом размерной зависимости резонансной частоты (п общем случае (2)). Математически это достигается путем введения соответствующего частотного сдвига в выражения для действительной и мнимой частей диэлектрической проницаемости частицы и параметр дифракции теории Ми. Наглядно продемонстрирован существенный вклад сдвига максимума плазменного поглощения света и формирование спектральных характеристик УМЧ.

В условиях, когда результаты определения ФРЧ существенно зависят от используемой модели пли ее параметров, совершенно правомерна постановка задачи по дополнительной оценке этих параметров одновременно с ФРЧ. С математической точки зрения это означает необходимость дополнительной минимизации соответствующих невязок по этим параметрам.

Эффективность решения указанной обратной задачи анализировалась методом численных экспериментов. С их помощью исследована возможность определения феноменологических параметров модели как одновременно с размерным составом частиц из спектральных измерений показателя ослабления излучения, так и с учетом независимых данных о размерах частиц. В качестве модельпой среды рассмотрены ультрадисперсные частицы серебра в низкотемпературной аргоновой матрице (Ag/Ar). Для этой

ультрадисперсной системы характерна линейная зависимость резонансной частоты показателя поглощения света от обратного размера частиц, а значения параметров a¡ и b¡ определены экспериментально (Charle et. al., 1984).

Проанализирована возможность восстановления параметров модели одновременно с функцией распределения частиц по размерам из спектров ослабления света. При этом осуществлялась минимизация соответствующих оптических невязок t]o(aÍ) (T]o(b¡)) дополнительно по этим параметрам. Эта невязки представляют собой среднеквадратичные отклонения между измеренными ¿¡г"р(Ау) и рассчитанными ac°¡{X¡ спектрами ослабления (Áj -j =1,2,...,т) вида

где величиной (р обозначен спектр размеров частиц, восстанавливаемый при фиксированных значениях параметров модели указанным выше итерационно-регуляризующим методом.

Исследовано влияние случайных ошибок оптических измерений па эффективность одновременного восстановления указанных параметров. Показано, в каких случаях критерий оптической невязки (в зависимости от уровня погрешности измерения спектров ослабления) оказывается недостаточным для решения такой "обобщенной" обратной задачи. В этом случае возникает необходимость в независимых оценках размерного состава частиц, которые особенно важны для определения параметра, описывающего сдвиг максимума ослабления света ультрадисперсными частицами (6¡).

Показано, что при наличии дефицита оптической информации для определения одного из параметров монет эффективно использование минимизации отклонения öReff по среднему объемно-поверхностному размеру частиц Reg. Показано, что условие 8Refj(bi) <Щжп при 5-10% погрешности (ЩЖСп) независимых оценок среднего размера значительно сужает область неопределенности восстановления параметра b;.

Показано, что для надежного определения обоих параметров модифицированной модели необходима более полная информация о функции распределения частиц по размерам. В частности весьма важной оказывается независимая информация об объем-

ной концентрации частиц. Средний же размер частиц удается восстановить параллельно с феноменологическими параметрами.

В заключении четвертой главы приведены примеры решения обратной задачи по восстановлению параметров модели и ФРЧ из экспериментальных измерений спектрального ослабления света, заимствованных из литературных данных. Результаты восстановления ФРЧ с учетом вариаций феноменологических параметров модифицированной модели удовлетворительно согласуются с данными визуально-микроскопических оценок размерного состава частиц.

ВЫВОДЫ

В соответствии с целью и задачами исследования, поставленными в диссертации, основные выводы работы можно сформулировать следующим образом.

1. На основании результатов исследований закономерностей изменения спектральных и колористических характеристик систем УМЧ, обусловленных размерным эффектом и с учетом многократного рассеяния света установлено, что характер изменения спектральных зависимостей отражения и пропускания с размером частиц определяется двумя факторами: одновременным возбуждением в частицах нескольких поверхностных мод и соотношением вкладом рассеяния и поглощения света на резонансных длинах волн, величина которого ограничивает диапазон изменения координат цвета ультрадисперсных металлических коллоидов. Показано, что влияние уширения максимума плазмонного поглощения спета, вызванного размерным эффектом на колористические характеристики ультрадисперсных систем серебра наиболее существенно для размеров частиц меньших 25 им.

2. Установлена принципиальная возможность использования методов оптической диагностики для оценки параметров микроструктуры ультрадисперсных металлических частиц и определены границы их применимости. Показано, что размерный эффект повышает информативность спектральных данных и точность решения обратной задачи по определению параметров микроструктуры УМЧ.

3. Предложено, аппроксимировать зависимость спектрального положения максимума поглощения света УМЧ от их размера квадратичной функцией величины обратной размеру частиц. Такая зависимость позволяет качественно интерпретировать результаты измерений спектрального ослабления света системами частиц серебра с учетом влияния

дисперсионной среды на их оптические свойства. Предложена модификация модели ограничения средней длины свободного пробега электронов проводимости, состоящая во введении дополнительного частотного сдвига в диэлектрическую проницаемость частицы и параметр дифракции теории Ми. Это позволят расширить границы применимости данной модели при описании оптических свойств УМЧ, внедренных в матрицы с различной степенью взаимодействия частиц и вещества дисперсионной среды.

4. Показана возможность восстановления параметров предложенной модифицированной модели и функции распределения частиц по размерам из измерений спектров показателя ослабления. На основе анализа ошибок решения обратной задачи при различном объеме априорной информации показано, что в случае линейной зависимости сдвига резонансной частоты от обратного размера частиц, для восстановления одного из двух основных параметров модели достаточно априорной информации об объемно-поверхностном радиусе частиц. Такая информация особенно важна для оценки параметра, описывающего сдвиг максимума ослабления света частицами. Для одновременной оценки двух параметров модели необходима априорная информация об объемной концентрации частиц.

Основные материалы диссертации опубликованы в следующих работах.

1. Пришивалко А. П., Синкж А. Ф. Исследование влияния размерных эффектов на спектральные и колористические характеристики дисперсных систем типа коллоидов металлических частиц. - Препринт / ИФ им. Б. И. Степанова АНБ N696. - Минск, 1994. - 23 с.

2. Пришивалко А. П., Синюк А. Ф. Исследование спектральных характеристик слоев ультрадисперсных систем серебра с учетом размерной зависимости оптических постоянных и многократного рассеяния света//Опт. и спектр. - 1995. - т. 79, N1. - с. 139 -145.

3. Синюк А. Ф., Пришивалко А. П. Влияние размерной зависимости оптических постоянных ультрадисперсных частиц серебра на колористические свойства образуемых ими коллоидных систем // Опт. и спектр. - 1995. - т. 79, N3. - с. 491 - 494.

4. Sinyuk A. F., Oshchepkov S. L. The ultrafine metallic particles sizing in the range of size effect from the extinction spectra of radiation II J. Aérosol. Sci. - 1996. - vol. 27, Suppl. N1. -p. 555-556.

5. Синюк А. Ф., Ощепков С. Л. Определение микроструктуры систем ультрадисперсных металлических частиц по спектрам ослабления света с учетом размерного эффекта // Коллоидн. журнал. - 1997. - т. 59, N3. - с. 389 - 394.

6. Синюк А. Ф., Ощепков С. Л. Феноменологическая модель размерного эффекта и ее использование в решении обратных задач спектроскопии ультрадисиерсных металлических частиц // Коллоидн. журнал. - 1997. - т. 59, N6. - с. 729-735.

РЕЗЮМЕ. Синюк Александр Фрапцевия. ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРАЛЬНЫХ И КОЛОРИСТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СИСТЕМ УЛЬТРАДИСПЕРСНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЧАСТИЦ И МЕТОДЫ ИХ ОПТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ.

Ключевые слова: ультрадисперсные металлические частицы, размерный эффект, микроструктура, многократное рассеяние света, спектральные и колористические свойства, оптическая диагностика.

Определены закономерности изменения спектральных и колористических характеристик сйстем ультрадисперсных металлических частиц (УМЧ), связанные с изменением размеров и концентрации частиц. Показано, что одновременное возбуждение светом в частицах нескольких поверхностных мод ограничивает ширину диапазона изменения координат цвета ультрадисперсных металлических колловдов при вариации размеров частиц. Ширина цветового диапазона зависит от соотношения вкладов рассеянного и поглощенного излучения на резонансных длинах волн.

Установлено, что размерный эффект в УМЧ повышает информативность измерений спектрального ослабления света в ближней УФ- и видимой областях спектра по отношению к размерам частиц. Показана эффективность использования спектральных данных для определения параметров микроструктуры ультрадисперсных металлических сред, включая релеевский диапазон размеров частиц.

Предложена модификация модели ограничения средней длины свободного пробега электронов проводимости, позволяющая учесть сдвиг максимума поглощения света УМЧ и расширить границы применимости модели при описании оптических свойств УМЧ, внедренных в матрицы с различной степенью взаимодействия частиц и дисперсионной среды.

Проанализирована возможность восстановления параметров , модели одновременно с функцией распределения частиц по размерам. Продемонстрирована роль априорной информации о размерном составе частиц при восстановлении каждого из параметров модели. Показано, что такая информация особенно важна для оценки параметра, описывающего сдвиг максимума ослабления света частицами.

РЭЗЮМЕ. Силок Аляксандр Францав1ч. ДАСЛЕДВАНШ СПЕКТРАЛЬНЫХ I КАЛАРЫСТЫЧНЫХ СВОЙСТВАУ СЫСТЭМ УЛЬТРАДЫСПЕРСНЫХ МЕТА-Л1Ч11ЫХ ЧАСЩНАКIМЕТАДЫIX АПТЫЧ11АЙ ДЫЯГНО СТЫК1.

Ключавыя словы: ультрадысперсныя мстаичныя часцшю, размерны эфект, мисраструктура, шматразовае рассеивание святла, спектральным 1 каларыстычныя свойств«, аптьг'шая дьгягностыка.

Вьпиачацы заканамернасщ змянения спектральных 1 каларыстычных характа-рыстык сыстэм ультрадысперсных меташчных чаецшак (УМЧ), звязаныя са з'мяненнем памерау 1 капцэптрацьп часшпак. Наказана, пгто адначасовае узбуджэнне святлом у час-цшках некальмх паверхневых мод абмяжоувае шырыню дыяпазону з'мянення каарды-нат колеру ультрадысперсных метагпчных калодау пры адпаведным з'мяпенш памерау чаецшак. Шырьшя каляровага диапазону залежьщь ад суадносщ укладау рассейвання I паглянання выпраменьвання на рэзанансных даужынях хваль.

Вызначана, што размерны эфект у УМЧ павятчвае шфармацыйнасць вымярен-няу спектральнага аслаблення святла у ближэйшай УФ-1 бачнай вобласщ спектру у да-чынешп да памерау чаецшак. Наказана эфектыунасць прымяненпя спектральных пымя-рэнняу для выэначэцня мкраструктуры ультрадысперсных мскипчных асяродзяу, ук-лючаючы рэлсеусы дыяпазон памерау чаецшак.

Прапанавана мадыфшацыя мадэл1 абмежавання еярэдней даужьпп свабодпага прабегу электронау правадзшасщ, што дае магчымасць ул1чыць зрух макймуму паглы-нання святла УМЧ 1 пашырыць межы прымянення мадэл1 пры ашеанш аптычных свой-ствау УМЧ, яюя знаходзяцца у матрьщах з рознай ступеннто узаемадзеяння часщнак ! рэчыва навакольнага асяродзм.

ПрааналЬавана эфектыунасць вызначэння параметрау мадам адначасова з функцыяй размеркавання часщнак па памерах. Прадэманстравана роля апрыорнай шфармацьн аб размерным саставе чаецшак у вьшадку вызначэння кожнага з параметрау мадэль Наказана, што такая шфамацыя мае асаб.тавае значэнне для вызначэння параметра, яю ашевае зрух макешуму аслаблення святла часшнкамд.

SUMMARY. Sinyuk Alexander Frantsevich. INVESTIGATIONS OF THE SPECTRAL AND COLOR PROPERTIES OF ULTRAFINE METALLIC PARTICLES SYSTEMS AND THE METHODS OF ITS OPTICAL DIAGNOSTICS.

Key words: ultrafine metallic particles, size effect, particles size distribution, multiply light scattering, spectral and color properties, optical diagnostics.

The regular trends in varying of spectral and color characteristics of ultrafine metallic particles (UMP) systems with particles size and concentration and with taking into account the size effect and multiply light scattering are determined. Simultaneous excitation by light of several surface modes in particles it is shown restricts the range width of varying of UMP colloids color as particles size varies. In this case the width of color range depends on the relationship among the scattered and absorbed radiation at the resonant wavelengths.

It is shown that the size effect leads to considerable increase of information content of spectral extinction data with respect to particles of different sizes in near UV- and visible spectral ranges. This makes possible to retrieve the size spectrum of UMP with reasonable high accuracy including Rayleigh size region.

The modification of electron's mean free path limitation model is proposed to account for the shift of maximum plasmon absorption of light by UMP. It is shown that this makes possible to describe the optical properties of UMP embedded in matrixes with different degree of interaction of particles with matrix material.

The efficiency of simultaneous retrieval of parameters of model describing the size effect and particles size distribution is analyzed. The role of a priori information on particles size in determining of the model parameters is illustrated. It is shown that such an information is especially important to estimate the parameter describing the shift of maximum light absorption.

The procedure of calculations and the approach used in present work will be available for optimization and prediction of spectral and color characteristics of small metallic particles colloids.