Введение к работе
Актуальность. Задача изучения фотофизических свойств новых композиционных материалов, предназначенных для практического использования в квантовой электронике и оптоэлектронике, несомненно, является актуальной. Микрокомпозиционные материалы, создаваемые на основе различных органических, мсталлоорганических и неорганических соединений, адсорбированных в пористых силикатных стеклах, в течение последних 15 лет привлекают внимание многих исследователей.
К настоящему времени установлено, что в пористых стеклах (ПС) молекулярные системы адсорбатов характеризуются наноразмерами и диспергированы до состояния кластеров и даже отдельных молекул. Установлено при этом, что свойства и закономерности взаимодействия частиц, адсорбированных на высокоразвитой поверхности матрицы существенно, а в отдельных системах радикально, отличаются от таковых, наблюдаемых в растворах этих же веществ. Так, например, были обнаружены и исследованы неизвестные ранее особенности в безызлучательном переносе энергии электронного возбуждения от одной молекулы адсорбата к другой. Для их объяснения предложена концепция, основанная на представлениях о фрактальном распределении молекул адсорбата с фрактальной размерностью 1<у<3.
Была развита модель взаимодействия сложной молекулы с поверхностью диэлектрика с учетом кривизны последней. Результаты расчетов по этой модели, с одной стороны, позволили объяснить целый ряд оптических эффектов, наблюдаемых в спектрах адсорбированных молекул, таких, например, как проявление релаксации молекул у поверхности в температурных сдвигах спектров флуоресценции, «скачкообразный» сдвиг спектров возбуждения при вариации частоты возбуждения, «матричная память» адсорбированных молекул и т.д. С другой стороны, сравнение экспериментальных и расчетных результатов дало возможность определить такие важные характеристики, как энергия взаимодействия -сложной молекулы с поверхностью, время колебательно-ориентационной релаксации адсорбированной молекулы и др.
Несмотря на проведенные исследования фотофизических свойств адсорбатов, ряд моделей требуют дополнительной проверки независимыми методами. В частности, требуется дополнительно независимым образом показать правомочность применения фрактальных представлений для описания поведения молекул, адсорбированных в пористых стеклах.
Целью работы явилось исследование особенностей поглощения света фрактальной структурой красителей, адсорбированных пористым стеклом, а также синтез и изучение спектрально-флуоресцентных свойств
композиции на основе ПС и ряда органических красителей не только различных классов (родамины, акридины, кумарины, фепалемины и другие), но и различных форм (ионные, молекулярные).
Основные задачи исследования
-
Изучение методами электронной оптической спектроскопии оптико-физических свойств различных органических красителей, адсорбированных в ПС.
-
Проведение комплексного изучения спектральными методами кинетических зависимостей адсорбции красителей в пористые матрицы при условии вариации их толщины, состава растворителей, температуры и пр.
-
Разработка физических моделей, объясняющих наблюдаемые особенности кинетических зависимостей адсорбции красителей в пористые матрицы и учитывающих формирование в процессе адсорбции фрактальных кластеров.
-
Разработка базы данных по спектрально-флуоресцентным свойствам красителей, адсорбированным в ПС, включающей нормированные спектры поглощения и флуоресценции, положения максимумов этих полос, их полуширины, асимметрию, частоты чисто электронных переходов и другие параметры.
Научная новизна
-
Синтезированы композиции на основе ряда органических красителей различных классов (родамины, кумарины, акридины, феналсмины и другие), адсорбированных в пористом стекле.
-
В результате их исследования обнаружены новые физические закономерности и установлена их интерпретация:
Закономерности кинетических зависимостей коэффициента поглощения при адсорбции красителей различных классов и форм в ПС.
Новый физический эффект - эффект уменьшения оптической плотности (Optical Density Reduction Effect - ODRE), связанный с немонотонностью нарастания оптической плотности матрицы при монотонном характере возрастания концентрации адсорбата.
Эффект ODRE является проявлением процесса релаксации молекулярной системы к фрактальному распределению молекул адсорбата.
3. Создана новая физическая модель, в которой эффект ODRE удается
объяснить процессами пространственного перераспределения молекул
адсорбата, приводящими к формированию фрактальных кластеров.
-
Получены новые физико-химические характеристики адсорбированных красителей (величина фрактальной размерности адсорбатов в невозбужденном состоянии у, размеры кластеров, время формирования кластеров в процессе адсорбции и ряд других).
-
Создана база данных по спектрально-флуоресцентным свойствам красителей, адсорбированным в ПС, включающая нормированные спектры поглощения и флуоресценции, положения максимумов полос, их полуширины, асимметрию, частоты чисто электронных переходов и другие параметры. Представлены изображения этих спектров.
Достоверность экспериментальных результатов работы обеспечивается тщательностью разработки экспериментальных методик, воспроизводимостью результатов измерений, статистической оценкой возможных погрешностей эксперимента, а также соответствием результатов исследований растворов красителей, выполненных в работе, и отдельным, имеющимся в литературе. Достоверность физических моделей обеспечивается их соответствием существующим представлениям о взаимодействия оптического излучения с веществом в состоянии адсорбции.
Практическая значимость. Созданы новые твердотельные композиционные материалы, перспективные в оптическом приборостроении, и разработаны принципы их изготовления. Изучены спектрально-флуоресцентные характеристики этих материалов. Разработана база данных по спектрально-флуоресцентным свойствам красителей, адсорбированным в пористом стекле.
Защищаемые положения
-
Результаты комплексного изучения кинетических зависимостей адсорбции ряда красителей в пористые матрицы при вариации их толщины (100 МКМ...5 мм), а также состава растворителей и температуры. Количественные параметры адсорбции красителей в пористые стекла.
-
Экспериментальные закономерности поглощения света в процессе адсорбции красителей пористым стеклом.
-
Существование нового физического эффекта - эффекта уменьшения оптической плотности ODRE, связанного с немонотонностью нарастания оптической плотности матрицы при монотонном характере возрастания концентрации адсорбата в матрице.
-
Физическая модель, предложенная для интерпретации эффекта ODRE, заключающегося в проявлении процесса релаксации молекулярной системы к фрактальному распределению адсорбата.
-
База данных по спектрально-флуоресцентным свойствам красителей, адсорбированным в пористом стекле, включающая основные характе-
ристики и изображения спектров поглощения и флуоресценции в электронном виде (база данных разработана с использованием стандартных программных средств WINDOWS).
Апробация работы. Материалы диссертации были доложены и обсуждались на конференции «Оптика и спектроскопия и их применение в народном хозяйстве и экологии» (Каменец-Подольский, 1992), на региональном семинаре «Структурно-динамические процессы в неупорядоченных средах» (Самарканд, 1992), па 160м Конгрессе ICO (Будапешт, 1993),
на 50м Кошрессе современной оптики (Будапешт, 1998), на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГИТМО (ТУ) (Санкт-Петербург, 1992...96 гг.) и научных семинарах кафедры физики.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, список которых приведен в конце автореферата.
Объем и структура работы. Диссертация содержит введение, 4 главы, заключение и 2 приложения. Включает 185 страниц текста, 55 рисунков и 17 таблиц. Список использованной литературы содержит 153 наименования.
