Nanorakenteen aiheuttama värinmuunnos metallissa.

Abstract

Useimmat metallit heijastavat lähes kaiken niihin kohdistuvan sähkömagneettisen säteilyn optisella aallonpituusalueella. Asia kuitenkin muuttuu merkittävästi, kun metalliatomeista muodostetaan nanopartikkeleita, jotka saattavat koostua tuhansista metalliatomeista. Nämä metalliset nanopartikkelit pystyvät absorboimaan sähkömagneettista säteilyä myös optisella aallonpituusalueella. Siksi esimerkiksi kultananopartikkeleista valmistettu kalvo voi näyttäytyä silmään värikkäänä kuten mustana, punaisena tai vihreänä. Työn tavoitteena oli selvittää, mistä aiheutuu kultananopartikkeleista valmistetun kalvon vihreä väri. Työ koostuu kahdesta osasta. Ensimmäisessä osassa käsitellään sähkömagneettisen säteilyn ja metallin välisen vuorovaikutuksen teoriaa. Lisäksi perehdytään nanopartikkeleiden absorptiomekanismeihin. Työn toisessa osassa esitellään mittausjärjestelmät ja niillä saadut tulokset, sekä pohditaan tulosten merkitystä. Työn ongelmaa lähestyttiin mittaamalla nanopartikkelikalvon heijastusspektri. Lisäksi otettiin kalvosta kuvia pyyhkäisyelektronimikroskoopilla, jotta saatiin selville nanopartikkeleiden muodot ja mitat. Heijastusspektriä, muotoja ja mittoja voitiin hyödyntää optisessa mallinnuksessa. Mallinnuksessa hyödynnettiin kaupallista ohjelmistoa, jolla rakennettiin nanopartikkelikalvon malli ja osoitettiin siihen sähkömagneettista säteilyä optisella aallonpituusalueella. Näin saatiin rakenteen heijastusspektri ja tieto siitä, mihin kohtaan rakennetta mikäkin aallonpituus säteilystä absorboituu. Saadut tulokset osoittavat, että optisen aallonpituusalueen pidemmät aallonpituudet absorboituvat kultananopartikkeleiden ja niiden alustan välisiin rakoihin. Normaalisti nämä pidemmät aallonpituudet heijastuvat pois kullasta, jolloin se näyttää kellertävältä. Kun punertava ja keltainen väri absorboituu rakoihin lähes täydellisesti, vihreän värin aallonpituus heijastuu dominoivana ja kalvo näyttää vihreältä. Simulaatioiden perusteella jopa nanometrien muutokset rakojen syvyydessä tai leveydessä muuttavat pidempien aallonpituuksien absorptiota kymmeniä prosentteja. Tulokset antavat motivaation tutkia raollisten nanorakenteiden absorptiota enemmänkin, sillä esimerkiksi auringon energian keräämistä voidaan nanorakenteiden avulla parantaa huomattavasti.