RU2724229C1 - Method for manufacturing of optical filter based on graphene - Google Patents

Method for manufacturing of optical filter based on graphene Download PDF

Info

Publication number
RU2724229C1
RU2724229C1 RU2019137031A RU2019137031A RU2724229C1 RU 2724229 C1 RU2724229 C1 RU 2724229C1 RU 2019137031 A RU2019137031 A RU 2019137031A RU 2019137031 A RU2019137031 A RU 2019137031A RU 2724229 C1 RU2724229 C1 RU 2724229C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
polymer
graphene
layer
composite
metal nanoparticles
Prior art date
Application number
RU2019137031A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Дмитрий Владимирович Смовж
Евгений Викторович Бойко
Илья Алексеевич Костогруд
Павел Евгеньевич Маточкин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН)
Priority to RU2019137031A priority Critical patent/RU2724229C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2724229C1 publication Critical patent/RU2724229C1/en

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
    • C23C16/26—Deposition of carbon only
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/448—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating characterised by the method used for generating reactive gas streams, e.g. by evaporation or sublimation of precursor materials

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Laminated Bodies (AREA)

Abstract

FIELD: nanotechnologies.SUBSTANCE: invention relates to nanotechnology and specifically to use of novel materials, such as polymer-graphene-gold and polymer-graphene-silver composites, obtained using chemical vapor deposition (CVD) method. Disclosed is a method of producing an optical filter based on graphene, which is a three-layer composite comprising a layer of polymer, a layer of monolayer graphene, synthesized by chemical vapor deposition (CVD) on a copper catalyst substrate and deposited on a transparent polymer surface, and a layer of metal nanoparticles. Layer of monolayer graphene is synthesized in a mixture of gases Ar/H/CHat atmospheric pressure and transferred onto a polymer surface using a mechanical transfer method based on a thermo-pressing process to obtain a polymer-graphene composite. Layer of metal nanoparticles is sputtered onto the obtained polymer-graphene composite by laser ablation using laser pulses. Thickness of the coating of the polymer-graphene composite by metal nanoparticles is directly proportional to the number of laser pulses and is determined by the desired optical absorption coefficient in accordance with the relationship: K=0.0001776×x+0.4944, wherein K is absorption coefficient, and x is number of laser pulses. Polymer-graphene composite coating structure is configured by metal nanoparticles with provision of electromagnetic radiation absorption due to the plasmon resonance effect.EFFECT: obtaining an optical filter based on graphene, which enables to absorb up to 95 % of electromagnetic radiation by using the plasmon resonance effect.5 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области нанотехнологий. Изобретение относится к области использования новых материалов, таких, как композиты полимер-графен-золото и полимер-графен-серебро, полученных методом химического осаждения из паровой фазы (ХОПФ).The invention relates to the field of nanotechnology. The invention relates to the use of new materials, such as polymer-graphene-gold and polymer-graphene-silver composites obtained by chemical vapor deposition (CVD).

Известен широкополосный поглощающий оптический фильтр нейтральной плотности [US 2016041318, 2016-02-11, С23С 16/26; С23С 16/44; G02B 5/20], содержащий один или несколько графеновых слоев, расположенных на оптической подложке. Указанный оптический фильтр может равномерно поглощать электромагнитное излучение в широкой оптической спектральной полосе, а именно, в диапазоне длин волн от 400 нанометров до 1 миллиметра, в зависимости от оптических характеристик используемой подложки и от количества размещенных на подложке графеновых слоев, при этом оптическое пропускание снижается примерно на 2,3% на слой.Known broadband absorbing optical filter of a neutral density [US 2016041318, 2016-02-11, C23C 16/26; C23C 16/44; G02B 5/20] containing one or more graphene layers located on an optical substrate. The specified optical filter can uniformly absorb electromagnetic radiation in a wide optical spectral band, namely, in the wavelength range from 400 nanometers to 1 millimeter, depending on the optical characteristics of the substrate used and the number of graphene layers placed on the substrate, while the optical transmission is reduced by approximately 2.3% per layer.

В одном из вариантов осуществления оптический фильтр для ослабления / пропускания света в видимом диапазоне между 400 и 700 нм содержит графеновые слои (один или несколько), выращенные путем химического осаждения из паров на SiC и перенесенные на соответствующую оптическую подложку. Кроме того, указанный оптический фильтр быстро отводит тепло от поглощающей области и, следовательно, может использоваться в приложениях, имеющих более высокую оптическую мощность, чем при использовании с обычными поглощающими фильтрами нейтральной плотности.In one embodiment, an optical filter for attenuating / transmitting light in the visible range between 400 and 700 nm comprises graphene layers (one or more) grown by chemical vapor deposition on SiC and transferred onto an appropriate optical substrate. In addition, the specified optical filter quickly removes heat from the absorbing region and, therefore, can be used in applications having a higher optical power than when used with conventional neutral density absorbing filters.

Указанный оптический фильтр характеризуется низким поглощением, 2,3% на слой, и отсутствием селективности. В случае заявляемого изобретения поглощение 2,3% на слой присутствует, но кроме этого - резонансное поглощение в диапазоне длин волн от 550 до 750 нм, которое варьируется в зависимости от концентрации металла на графене и достигает 95%, при самых больших апробированных концентрациях.The specified optical filter is characterized by low absorption, 2.3% per layer, and lack of selectivity. In the case of the claimed invention, the absorption of 2.3% per layer is present, but in addition, resonance absorption in the wavelength range from 550 to 750 nm, which varies depending on the concentration of metal on graphene and reaches 95%, at the highest tested concentrations.

Известна многофункциональная гибкая защитная пленка с градиентной структурой [CN 108335770, 2018-07-27, B82Y 30/00; G21F 1/02; G21F 1/08; G21F 1/10; G21F 1/12; G21F 3/00; Н01В 1/02; Н01В 1/04; H01L 23/373; H01L 23/48], имеющая трехслойную структуру, соответственно содержащую слой графена, нанотрубок из нитрида бора или из углеродных нанотрубок, слой из металла в виде пленки или наночастиц, который представляет собой алюминий, никель, титан, медь или серебро, и гибкий полимер, который представляет собой полиэтилен низкой плотности, полиэтилен высокой плотности, полиэтилен сверхвысокой молекулярной массы или полимер, легированный микро-, наночастицами.Known multifunctional flexible protective film with a gradient structure [CN 108335770, 2018-07-27, B82Y 30/00; G21F 1/02; G21F 1/08; G21F 1/10; G21F 1/12; G21F 3/00; HB01 1/02; HB01 1/04; H01L 23/373; H01L 23/48] having a three-layer structure, respectively, containing a layer of graphene, nanotubes of boron nitride or carbon nanotubes, a layer of metal in the form of a film or nanoparticles, which is aluminum, nickel, titanium, copper or silver, and a flexible polymer, which is low density polyethylene, high density polyethylene, ultra high molecular weight polyethylene or a polymer doped with micro-, nanoparticles.

В варианте, когда металл - в виде пленки, указанный композит предназначен для защиты от радиации. В варианте, когда металл - в виде наночастиц, указанный композит предназначен для поглощения электромагнитных волн видимого диапазон.In the embodiment, when the metal is in the form of a film, the specified composite is designed to protect against radiation. In the embodiment, when the metal is in the form of nanoparticles, the specified composite is designed to absorb electromagnetic waves in the visible range.

В указанном техническом решении графен получают восстановлением окисленного графита, полученного методом Хаммерса, а потом этот графен наносят на поверхность (обычно графен диспергируется в жидкости и разбрызгивается или размазывается). Толщина получаемой пленки нанотрубок графена и нитрида бора велика и составляет 0,01 мм ~ 0,05 м. В случае заявляемого изобретения используют CVD графен, толщина слоя которого порядка 1 нм. Магнетронное напыление имеет не высокую точность регулировки массы распыленного вещества, что вполне приемлемо для пленок толщиной 0,01 мм ~ 0,05 м. Для напыления наночастиц на пленки толщиной 1 нм ~ 10 нм удобнее и точнее использовать метод лазерной абляции.In this technical solution, graphene is obtained by reducing oxidized graphite obtained by the Hammers method, and then this graphene is applied to the surface (usually graphene is dispersed in a liquid and sprayed or smeared). The thickness of the resulting film of graphene and boron nitride nanotubes is large and is 0.01 mm ~ 0.05 m. In the case of the claimed invention, CVD graphene is used, the layer thickness of which is about 1 nm. Magnetron sputtering does not have a high accuracy in adjusting the mass of the atomized substance, which is quite acceptable for films with a thickness of 0.01 mm ~ 0.05 m. For the deposition of nanoparticles on films with a thickness of 1 nm ~ 10 nm, it is more convenient and more accurate to use the laser ablation method.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание оптического фильтра на основе графена, позволяющего поглощать до 80% электромагнитного излучения в диапазоне длин волн 400 до 600 для серебра, до 95% электромагнитного излучения в диапазоне длин волн 550 нм до 750 для золота за счет использования эффекта плазмонного резонанса.The problem to which the present invention is directed, is to create an optical filter based on graphene, which allows to absorb up to 80% of electromagnetic radiation in the wavelength range 400 to 600 for silver, up to 95% electromagnetic radiation in the wavelength range of 550 nm to 750 for gold for due to the use of the plasmon resonance effect.

Поставленную задачу решают путем создания фильтра на основе монослойного графена, представляющего собой композит, состоящий из трех слоев: полимер, графен, наночастицы металла.The problem is solved by creating a filter based on monolayer graphene, which is a composite consisting of three layers: polymer, graphene, metal nanoparticles.

Согласно изобретению, графен синтезируют с помощью метода химического осаждения из паровой фазы на медной каталитической подложке в смеси газов Ar/Н2/СН4 при атмосферном давлении и переносят на полимерную поверхность с помощью механического метода переноса, в основе которого лежит процесс термопрессования, с получением композита полимер-графен. Наночастицы металла напыляют на полимер-графеновый композит методом лазерной абляции при различных количествах лазерных импульсов.According to the invention, graphene is synthesized using the chemical vapor deposition method on a copper catalytic substrate in an Ar / H 2 / CH 4 gas mixture at atmospheric pressure and transferred onto a polymer surface using a mechanical transfer method, which is based on the thermal pressing process, to obtain polymer-graphene composite. Metal nanoparticles are sprayed onto a polymer-graphene composite by laser ablation at various amounts of laser pulses.

Согласно изобретению, толщина покрытия полимер-графенового композита металлическими наночастицами прямо пропорциональна числу лазерных импульсов и определяется желаемым оптическим коэффициентом поглощения в соответствии с соотношением: K = 0,0001776 × х + 0,4944, где K - коэффициент поглощения, х - количество импульсов.According to the invention, the coating thickness of the polymer-graphene composite with metal nanoparticles is directly proportional to the number of laser pulses and is determined by the desired optical absorption coefficient in accordance with the ratio: K = 0.0001776 × x + 0.4944, where K is the absorption coefficient, x is the number of pulses.

Согласно изобретению, структура покрытия полимер-графенового композита металлическими наночастицами сконфигурирована так, что поглощение электромагнитного излучения осуществляется за счет использования эффекта плазмонного резонанса, причем наиболее интенсивное плазмонное поглощение композитом полимер-графен-наночастицы золота происходит в диапазоне длин волн от 550 до 750 нм, а наиболее интенсивное плазмонное поглощение композитом полимер-графен-наночастицы серебра происходит в диапазоне длин волн от 400 до 600 нм.According to the invention, the coating structure of the polymer-graphene composite with metal nanoparticles is configured so that electromagnetic radiation is absorbed by using the plasmon resonance effect, with the most intense plasmon absorption of the polymer polymer-graphene-gold nanoparticles in the wavelength range from 550 to 750 nm, and The most intense plasmon absorption by a polymer-graphene-silver nanoparticle composite occurs in the wavelength range from 400 to 600 nm.

Согласно изобретению, в качестве полимерной поверхности используют полиэтилентерефталат/этиленвинилацетат (ПЭТ/ЭВА).According to the invention, polyethylene terephthalate / ethylene vinyl acetate (PET / EVA) is used as the polymer surface.

Согласно изобретению, наночастицы металла выбирают из группы благородных металлов, в частности, серебро, золото.According to the invention, the metal nanoparticles are selected from the group of noble metals, in particular silver, gold.

Согласно изобретению, покрытие полимер-графенового композита металлическими наночастицами может состоять из:According to the invention, coating a polymer-graphene composite with metal nanoparticles may consist of:

- отдельно лежащих наночастиц со средним размером, не превышающим 20 нм,- separately lying nanoparticles with an average size not exceeding 20 nm,

- крупных наночастиц размером около 200 нм, достигая состояния, когда крупные частицы становятся доминирующей фракцией с тем же характерным размером (200 нм),- large nanoparticles with a size of about 200 nm, reaching a state where large particles become the dominant fraction with the same characteristic size (200 nm),

- отдельных островков с характерным размером 300-400 нм,- individual islands with a characteristic size of 300-400 nm,

- сплошного слоя.- a continuous layer.

Оптический фильтр представляет собой композит, состоящий из трех слоев: полимер (полиэтилентерефталат/этиленвинилацетат (ПЭТ/ЭВА)), монослойный графен, наночастицы металла.An optical filter is a composite consisting of three layers: polymer (polyethylene terephthalate / ethylene vinyl acetate (PET / EVA)), monolayer graphene, metal nanoparticles.

Графен синтезируют с помощью метода химического осаждения из паровой фазы на медной каталитической подложке. Синтез графена осуществлялся в термическом реакторе при температуре 1075°С в смеси газов Ar/Н2/CH4 при атмосферном давлении.Graphene is synthesized using the chemical vapor deposition method on a copper catalytic substrate. The synthesis of graphene was carried out in a thermal reactor at a temperature of 1075 ° C in a mixture of gases Ar / H 2 / CH 4 at atmospheric pressure.

Перенос графена производят на полимерную поверхность полиэтилентерефталат/этиленвинилацетат (ПЭТ/ЭВА) с помощью механического метода переноса, в основе которого лежит процесс термопрессования.Graphene is transferred onto the polymeric surface of polyethylene terephthalate / ethylene vinyl acetate (PET / EVA) using the mechanical transfer method, which is based on the process of thermal pressing.

Полимер-графеновые композиты с помощью метода лазерной абляции при различных количествах импульсов покрывают наночастицами серебра или золота.Using laser ablation, polymer-graphene composites are coated with silver or gold nanoparticles at various pulse numbers.

Свойства изготовленного указанным способом фильтра поглощать излучение основано на эффекте плазмонного резонанса.The properties of the filter absorbing radiation made by the indicated method are based on the plasmon resonance effect.

Как показали эксперименты (описание приведено ниже), интенсивность плазмонного поглощения напрямую зависит от толщины покрытия металлическими наночастицами (золото, серебро), которая, в свою очередь, определяется процессами коагуляции наночастиц на поверхности графена и прямо пропорционально зависит от количества лазерных импульсов.As experiments have shown (the description is given below), the intensity of plasmon absorption directly depends on the thickness of the coating with metal nanoparticles (gold, silver), which, in turn, is determined by the processes of coagulation of nanoparticles on the surface of graphene and is directly proportional to the number of laser pulses.

Формирование наночастиц размером около 20 нм происходит при конденсации паров распыляемого материала в струе, формирующейся при абляции материала. При попадании на поверхность, частицы обладают достаточной подвижностью для формирования более крупных наночастиц и сплошного покрытия.The formation of nanoparticles with a size of about 20 nm occurs when the vapor of the sprayed material is condensed in a jet formed during ablation of the material. Upon contact with the surface, the particles have sufficient mobility to form larger nanoparticles and a continuous coating.

С ростом количества лазерных импульсов в области низкой массовой концентрации напыления формируется островковая структура с большим коэффициентом заполнения, характерный размер отдельных островков сильно разнится, достигая 300-400 нм. С ростом массовой концентрации напыления островки сменяются крупными наночастицами, размером около 200 нм, достигая состояния, когда крупные частицы становятся доминирующей фракцией с тем же характерным размером (200 нм).With an increase in the number of laser pulses, an island structure with a large fill factor is formed in the region of low mass deposition concentration; the characteristic size of individual islands varies greatly, reaching 300–400 nm. With an increase in the mass concentration of deposition, the islands are replaced by large nanoparticles, about 200 nm in size, reaching a state where large particles become the dominant fraction with the same characteristic size (200 nm).

Ослабление прошедшего излучения при малой толщине металлической пленки, порядка 6-7 нм, связано с явлением плазмонного поглощения на мелких частицах размером около 20 нм. Для указанной толщины металлической пленки коэффициент пропускания в области плазмонного резонанса близок к 20%.The attenuation of transmitted radiation at a small metal film thickness, of the order of 6–7 nm, is associated with the phenomenon of plasmon absorption on small particles about 20 nm in size. For the indicated thickness of the metal film, the transmittance in the plasmon resonance region is close to 20%.

При дальнейшем увеличении толщины металлического покрытия и увеличении количества наночастиц металла крупной фракции (от 150 нм), ослабление сигнала усиливается вследствие плазмонного рассеяния на этих частицах; при этом коэффициент пропускания образца падает до 5%.With a further increase in the thickness of the metal coating and an increase in the number of coarse fraction metal nanoparticles (from 150 nm), the signal attenuation is amplified due to plasmon scattering on these particles; the transmittance of the sample drops to 5%.

С ростом толщины покрытия менее выраженным становится интерференционный отклик пленки, что обусловлено высоким значением мнимой части показателя преломления металла.As the coating thickness increases, the interference response of the film becomes less pronounced, which is due to the high value of the imaginary part of the refractive index of the metal.

Наивысшая степень ослабления излучения покрытием наночастицами серебра, достигнутая в экспериментах, приходилась на диапазон длин волн электромагнитного излучения от 400 до 600 нм. Наивысшая степень ослабления излучения покрытием наночастицами золота приходилась на диапазон длин волн электромагнитного излучения от 200 нм до 1100 нм.The highest degree of attenuation of radiation by coating with silver nanoparticles, achieved in the experiments, was in the wavelength range of electromagnetic radiation from 400 to 600 nm. The highest degree of attenuation of radiation by a coating of gold nanoparticles was in the wavelength range of electromagnetic radiation from 200 nm to 1100 nm.

Экспериментальное подтверждение.Experimental confirmation.

Получены экспериментально композиты полимер-графен-серебро и полимер-графен-золото и исследованы их оптические свойства.The polymer-graphene-silver and polymer-graphene-gold composites were experimentally obtained and their optical properties were investigated.

Синтез графена осуществлялся в термическом реакторе с помощью метода химического осаждения из паровой фазы на медной каталитической подложке. Температура синтеза составляла 1075°С, при этом медный субстрат находился в смеси газов Ar/Н2/СН4 при атмосферном давлении. Перенос графена производился на полимерную поверхность полиэтилентерефталат/этиленвинилацетат (ПЭТ/ЭВА) с помощью механического метода переноса, в основе которого лежит процесс термопрессования. Полмерный лист ПЭТ/ЭВА был нанесен при температуре 190°С на медную подложку с синтезированным на ней графеном. Получившиеся образцы были механически стабилизированы во время отделения медной фольги с целью минимизации деформации графенового слоя. Полученные в результате этапа переноса полимер-графеновые композиты с помощью метода лазерной абляции (использовалось излучение Nd:YAG лазера ИЛТИ 407б с длиной волны 1064 нм и длительностью импульса 9 нс) при различных количествах импульсов покрывались наночастицами серебра и золота. Число лазерных импульсов для покрытия полимер-графеновых композитов наночастицами серебра варьировалось от 1000 до 6000, наночастицами золота - от 500 до 6000.Graphene was synthesized in a thermal reactor using the method of chemical vapor deposition on a copper catalytic substrate. The synthesis temperature was 1075 ° C, while the copper substrate was in a mixture of gases Ar / H 2 / CH 4 at atmospheric pressure. Graphene was transferred onto the polymeric surface of polyethylene terephthalate / ethylene vinyl acetate (PET / EVA) using the mechanical transfer method, which is based on the process of thermal pressing. A one-dimensional PET / EVA sheet was deposited at a temperature of 190 ° C on a copper substrate with graphene synthesized on it. The resulting samples were mechanically stabilized during separation of the copper foil in order to minimize deformation of the graphene layer. The polymer-graphene composites obtained as a result of the transfer step using the laser ablation method (using Nd: YAG radiation from an ILTI 407b laser with a wavelength of 1064 nm and a pulse duration of 9 ns) were coated with silver and gold nanoparticles for various numbers of pulses. The number of laser pulses for coating polymer-graphene composites with silver nanoparticles varied from 1000 to 6000, and gold nanoparticles ranged from 500 to 6000.

Были исследованы оптические свойства полученных композитов при помощи спектрофотометра СФ-2000.The optical properties of the obtained composites were investigated using an SF-2000 spectrophotometer.

Наивысшая степень ослабления излучения композитом полимер-графен-серебро приходилась на диапазон длин волн λ от 400 до 600 нм. Максимальное ослабление сигнала приходилось на диапазон длин волн λ от 400 до 600 нм.The highest degree of attenuation of radiation by the polymer-graphene-silver composite was in the wavelength range λ from 400 to 600 nm. The maximum signal attenuation occurred in the wavelength range λ from 400 to 600 nm.

На фиг. 1 представлен спектр пропускания, как зависимость пропускания образца, %, от длины волны λ, нм, для пленок серебра, нанесенных при облучении мишени 6000 импульсами. Стрелками указано направление смещения плазмонного пика поглощения.In FIG. Figure 1 shows the transmission spectrum as the dependence of the transmission of the sample,%, on the wavelength λ, nm, for silver films deposited upon irradiation of the target with 6000 pulses. Arrows indicate the direction of the shift of the plasmon absorption peak.

На фиг. 2 представлен спектр эффективности ослабления излучения, прошедшего через образец после нанесения пленки серебра.In FIG. Figure 2 shows the efficiency spectrum of attenuation of radiation transmitted through the sample after deposition of a silver film.

Измерения проведены в различных точках вдоль вертикальной оси образца, начиная от края и двигаясь к центру напыления с шагом 1,2 мм, соответственно, на расстояниях 1,2, 2,4, 3,6, 4,8, 6,0, 7,2, 8,4 и 9,6 мм.The measurements were carried out at various points along the vertical axis of the sample, starting from the edge and moving to the center of deposition in increments of 1.2 mm, respectively, at distances of 1.2, 2.4, 3.6, 4.8, 6.0, 7 , 2, 8.4 and 9.6 mm.

По мере увеличения толщины покрытия серебра, плазмонный пик поглощения становится все более выраженным и смещается в сторону ИК волн. При достижении покрытием толщины 6-7 нм, положение и глубина плазмонного пика стабилизируются. Предполагается, что ослабление прошедшего излучения при малой толщине металлической пленки связано с явлением плазмонного поглощения на мелких частицах. Для указанной толщины коэффициент пропускания образцов в области плазмонного резонанса близок к 20%.As the silver coating thickness increases, the plasmon absorption peak becomes more pronounced and shifts toward IR waves. When the coating reaches a thickness of 6-7 nm, the position and depth of the plasmon peak stabilize. It is assumed that the attenuation of transmitted radiation at a small thickness of the metal film is associated with the phenomenon of plasmon absorption on small particles. For the indicated thickness, the transmittance of the samples in the plasmon resonance region is close to 20%.

При дальнейшем увеличении толщины серебряного покрытия и увеличении количества наночастиц серебра крупной фракции (от 150 нм), ослабление сигнала усиливается вследствие плазмонного рассеяния на этих частицах, при этом коэффициент пропускания образца падает до 5%. Таким образом, удалось достичь максимального селективного ослабления света более чем в 7 раз для длин волн 450 нм, в то время как для длин волн 700 нм ослабление уменьшается не более, чем в 2 раза. Выявлено, что с ростом толщины менее выраженным становится интерференционный отклик пленки, что, вероятно, обусловлено высоким значением мнимой части показателя преломления металла.With a further increase in the thickness of the silver coating and an increase in the number of coarse fraction silver nanoparticles (from 150 nm), the signal attenuation is enhanced due to plasmon scattering on these particles, while the transmittance of the sample drops to 5%. Thus, it was possible to achieve the maximum selective attenuation of light by more than 7 times for wavelengths of 450 nm, while for wavelengths of 700 nm the attenuation decreases by no more than 2 times. It was revealed that with increasing thickness, the interference response of the film becomes less pronounced, which is probably due to the high value of the imaginary part of the refractive index of the metal.

Наивысшая степень ослабления излучения композитом полимер-графен-золото приходилась на диапазон длин волн λ от 200 нм до 1100 нм. Максимальное ослабление сигнала приходилось на диапазон длин волн λ, от 550 до 750 нм.The highest degree of attenuation of radiation by the polymer-graphene-gold composite was in the wavelength range λ from 200 nm to 1100 nm. The maximum signal attenuation occurred in the wavelength range λ, from 550 to 750 nm.

На фиг. 3 и фиг. 4 представлены спектры пропускания композита полимер-графен-наночастицы золота в диапазоне длин волн λ от ультрафиолетового до инфракрасного излучения при различных количествах лазерных импульсов (1000 и 6000), как зависимость прозрачности, о.е., от длины волны λ, нм.In FIG. 3 and FIG. Figure 4 shows the transmission spectra of a polymer-graphene-gold nanoparticle composite in the wavelength range λ from ultraviolet to infrared radiation at various numbers of laser pulses (1000 and 6000), as the dependence of transparency, pu, on wavelength λ, nm.

Измерения проведены в нескольких точках вдоль вертикальной оси образца, начиная от края, на расстояниях 1,2 мм, 6 мм, 9,6 мм.The measurements were carried out at several points along the vertical axis of the sample, starting from the edge, at distances of 1.2 mm, 6 mm, 9.6 mm.

На фиг. 3 представлен спектр пропускания композита полимер-графен, функционализированного наночастицами золота, при облучении мишени 6000 импульсами.In FIG. Figure 3 shows the transmission spectrum of a polymer-graphene composite functionalized with gold nanoparticles upon irradiation of the target with 6000 pulses.

На фиг. 4 представлен спектр пропускания композита полимер-графен, функционализированного наночастицами золота, при облучении мишени 1000 импульсами.In FIG. Figure 4 shows the transmission spectrum of a polymer-graphene composite functionalized with gold nanoparticles upon irradiation of the target with 1000 pulses.

Измерения проведены в нескольких точках, соответствующих различной массовой толщине напыленного металлического покрытия.The measurements were carried out at several points corresponding to different mass thicknesses of the deposited metal coating.

Область наиболее эффективного плазмонного поглощения приходится на диапазон длин волн 550-750 нм.The region of the most effective plasmon absorption is in the wavelength range of 550–750 nm.

Таким образом, показано, что полученные композиты полимер-графен-наночастицы золота позволяют поглощать до 95% электромагнитного излучения, а полученные композиты полимер-графен-наночастицы серебра позволяют поглощать до 80% электромагнитного излучения.Thus, it was shown that the obtained polymer-graphene-gold nanoparticle composites can absorb up to 95% of electromagnetic radiation, and the obtained polymer-graphene-silver nanoparticle composites can absorb up to 80% of electromagnetic radiation.

Claims (9)

1. Способ изготовления оптического фильтра на основе графена, представляющего собой трехслойный композит, содержащий слой из полимера, слой из монослойного графена, синтезированный методом химического осаждения из паровой фазы (ХОПФ) на медной каталитической подложке и перенесенный на прозрачную полимерную поверхность, и слой из наночастиц металла, отличающийся тем, что слой монослойного графена синтезируют в смеси газов Ar/Н2/СН4 при атмосферном давлении и переносят на полимерную поверхность с помощью механического метода переноса на основе процесса термопрессования с получением полимер-графенового композита, а слой из наночастиц металла напыляют на полученный полимер-графеновый композит методом лазерной абляции с использованием лазерных импульсов, при этом толщина покрытия полимер-графенового композита металлическими наночастицами прямо пропорциональна числу лазерных импульсов и определяется желаемым оптическим коэффициентом поглощения в соответствии с соотношением: K = 0,0001776 × х + 0,4944, причем K - коэффициент поглощения, х - количество лазерных импульсов, при этом осуществляют конфигурирование структуры покрытия полимер-графенового композита металлическими наночастицами с обеспечением поглощения электромагнитного излучения за счет эффекта плазмонного резонанса.1. A method of manufacturing an optical filter based on graphene, which is a three-layer composite containing a polymer layer, a monolayer graphene layer synthesized by chemical vapor deposition (CVD) on a copper catalytic substrate and transferred onto a transparent polymer surface, and a layer of nanoparticles metal, characterized in that the layer of monolayer graphene is synthesized in a mixture of gases Ar / H 2 / CH 4 at atmospheric pressure and transferred to the polymer surface using a mechanical transfer method based on the thermal pressing process to obtain a polymer-graphene composite, and a layer of metal nanoparticles is sprayed on the obtained polymer-graphene composite by laser ablation using laser pulses, while the coating thickness of the polymer-graphene composite with metal nanoparticles is directly proportional to the number of laser pulses and is determined by the desired optical absorption coefficient in accordance with the ratio: K = 0.0001776 × x + 0.4944, where K is the absorption coefficient, x is the number of laser pulses, and the structure of the coating of the polymer-graphene composite with metal nanoparticles is configured to absorb electromagnetic radiation due to the plasmon resonance effect. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве полимерной поверхности используют полимерный лист полиэтилентерефталат / этиленвинилацетат (ПЭТ/ЭВА).2. The method according to p. 1, characterized in that as the polymer surface using a polymer sheet polyethylene terephthalate / ethylene vinyl acetate (PET / EVA). 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что наночастицы металла выбирают из группы благородных металлов, содержащей, например, серебро, золото.3. The method according to p. 1, characterized in that the metal nanoparticles are selected from the group of noble metals, containing, for example, silver, gold. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что покрытие полимер-графенового композита металлическими наночастицами состоит из:4. The method according to p. 1, characterized in that the coating of the polymer-graphene composite with metal nanoparticles consists of: - отдельно лежащих наночастиц со средним размером, не превышающим 20 нм,- separately lying nanoparticles with an average size not exceeding 20 nm, - крупных наночастиц размером 200 нм в состоянии, при котором крупные частицы становятся доминирующей фракцией с тем же характерным размером 200 нм,- large nanoparticles with a size of 200 nm in a state in which large particles become the dominant fraction with the same characteristic size of 200 nm, - отдельных островков с характерным размером 300-400 нм,- individual islands with a characteristic size of 300-400 nm, - сплошного слоя.- a continuous layer. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что покрытие полимер-графенового композита металлическими наночастицами конфигурируют с обеспечением наиболее интенсивного плазмонного поглощения композита полимер-графен-наночастицы золота в диапазоне длин волн от 550 до 750 нм или композита полимер-графен-наночастицы серебра в диапазоне длин волн от 400 до 600 нм.5. The method according to p. 1, characterized in that the coating of the polymer-graphene composite with metal nanoparticles is configured to provide the most intense plasmon absorption of the polymer-graphene-gold nanoparticle composite in the wavelength range from 550 to 750 nm or the polymer-graphene-silver nanoparticle composite in the wavelength range from 400 to 600 nm.
RU2019137031A 2019-11-19 2019-11-19 Method for manufacturing of optical filter based on graphene RU2724229C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019137031A RU2724229C1 (en) 2019-11-19 2019-11-19 Method for manufacturing of optical filter based on graphene

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019137031A RU2724229C1 (en) 2019-11-19 2019-11-19 Method for manufacturing of optical filter based on graphene

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2724229C1 true RU2724229C1 (en) 2020-06-22

Family

ID=71135761

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019137031A RU2724229C1 (en) 2019-11-19 2019-11-19 Method for manufacturing of optical filter based on graphene

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2724229C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2789246C2 (en) * 2020-12-28 2023-01-31 Акционерное Общество "Наука И Инновации" Method for production of flexible hybrid piezo-material, using conductive layers of graphene particles and silver nanorods

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011106730A2 (en) * 2010-02-27 2011-09-01 Innova Dynamics, Inc . Structures with surface-embedded additives and related manufacturing methods
RU2574421C2 (en) * 2011-04-12 2016-02-10 Аркема Инк. Inner light-emitting layer for organic light-emitting diodes
US20160041318A1 (en) * 2011-07-27 2016-02-11 The Government Of The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy Broadband Absorptive Neutral Density Optical Filter
RU2703170C1 (en) * 2015-10-15 2019-10-15 Цзинань Шэнцюань Груп Шэа Холдинг Ко., Лтд Composite material containing carbon nanostructure, high-molecular weight material in which it is used, and method of production

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011106730A2 (en) * 2010-02-27 2011-09-01 Innova Dynamics, Inc . Structures with surface-embedded additives and related manufacturing methods
RU2574421C2 (en) * 2011-04-12 2016-02-10 Аркема Инк. Inner light-emitting layer for organic light-emitting diodes
US20160041318A1 (en) * 2011-07-27 2016-02-11 The Government Of The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy Broadband Absorptive Neutral Density Optical Filter
RU2703170C1 (en) * 2015-10-15 2019-10-15 Цзинань Шэнцюань Груп Шэа Холдинг Ко., Лтд Composite material containing carbon nanostructure, high-molecular weight material in which it is used, and method of production

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2789246C2 (en) * 2020-12-28 2023-01-31 Акционерное Общество "Наука И Инновации" Method for production of flexible hybrid piezo-material, using conductive layers of graphene particles and silver nanorods

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN1070933C (en) Material of chemical compounds with a metal in group IVA of the periodic system, nitrogen and oxygen and process for producing it
KR101916316B1 (en) Laminate for plasmonic waveguides and method for preparing the same
JP2013104617A (en) Solar-thermal conversion member, solar-thermal conversion device, and solar thermal power generation device
CN110048227B (en) Bowtie nano antenna device and method based on dynamic adjustment of vanadium dioxide phase change
JP2005508569A (en) Thin film infrared transparent conductor
FR2655997A1 (en) ABSORBENT COATING, PROCESS FOR PRODUCING THE SAME, AND COATING OBTAINED USING THE SAME
CN111562685A (en) Intelligent infrared light switch for infrared window material and manufacturing method
RU2724229C1 (en) Method for manufacturing of optical filter based on graphene
WO2014065141A1 (en) Heat conversion member and heat conversion laminate
Amin-Chalhoub et al. Chemical vapor deposition of low reflective cobalt (II) oxide films
EP2995882B1 (en) Solar-thermal conversion member, solar-thermal conversion stack, solar-thermal conversion device, and solar-thermal power generating device
Stanimirova et al. Investigation on the structural and optical properties of tin oxide films grown by pulsed laser deposition
Shokeen et al. Thickness and annealing effects on the particle size of PLD grown Ag nanofilms
Bello et al. The impact of Fe3O4 on the performance of ultrathin Ti/AlN/Ti tandem coating on stainless-steel for solar selective absorber application
El-Mallah et al. Influence of UV irradiation on optical properties of thermally evaporated 4, 4′-(1E, 1′ E)-2, 2′-(2-aminopyrimidine-4, 6-diyl) bis (ethene-2, 1-diyl) bis (N, N-dimethylaniline) thin films
Christke et al. Optical resonances of self-organized monocrystalline Au nanoparticles embedded in SrTiO 3 matrix
Kumar et al. Optical studies on amorphous ZnO film
EP0973049A1 (en) Composite material containing fine particles of metal dispersed in polysilylenemethylene and process for the preparation thereof
EP0502940B1 (en) Composite magnetic sheet material and fabrication method
Hu et al. Annealing effects on the bonding structures, optical and mechanical properties for radio frequency reactive sputtered germanium carbide films
AU609277B2 (en) Producing a layer of transparent conductive zinc oxide
Nagashima et al. AFM observation for the oxygen deficiency effect on the surface morphology of VO2 thin films
JP2004317563A (en) Electric wave-transparent wavelength selection plate and manufacturing method therefor
Abed et al. Optical reflectivity of heat-treated nanofibrous silicon thin-films induced by high energy picosecond laser pulses
CN210864095U (en) Structural color nano film with good angle robustness

Legal Events

Date Code Title Description
QB4A Licence on use of patent

Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20200928

Effective date: 20200928