автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Оптические схемы малогабаритных спектрографов на основе вогнутых отражательных голограммных дифракционных решеток для исследования наноматериалов

На правах рукописи

ЯР

ХАСАН МАЗЕН

ОПТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ МАЛОГАБАРИТНЫХ СПЕКТРОГРАФОВ НА ОСНОВЕ ВОГНУТЫХ ОТРАЖАТЕЛЬНЫХ ГОЛОГРАММНЫХ ДИФРАКЦИОННЫХ РЕШЕТОК ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ

Специальность: 05.11.07 - Оптические и оптико-электронные приборы

и комплексы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

О 4 0КТ2012

Казань 2012

005052792

' Диссертация выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ» (КНИТУ-КАИ) на кафедре «Оптико-электронные системы»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Павлычева Надежда Константиновна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Воронов Виктор Иванович, профессор кафедры РЭКУ КНИТУ-КАИ, г. Казань кандидат технических наук, старший научный сотрудник Нагулин Юрий Семенович ОАО Центральное конструкторское бюро «ФОТОН», г. Казань

Ведущая организация: ОАО "Научно-производственное

объединение «Государственный институт прикладной оптики»", г.Казань

Защита состоится « 16 » октября 2012 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.079.06 при Казанском национальном исследовательском техническом университете им. А.Н. Туполева-КАИ по адресу 420015, г.Казань, ул. Толстого, д. 15, учебный корпус № 3, ауд. 216.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КНИТУ-КАИ. Электронный вариант автореферата размещен на сайте Министерства образования и науки Российской Федерации (referat_vak@mon.gov.ru) и на сайте КНИТУ-КАИ (www.kai.ru).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью организации, просим присылать по адресу: 420111, г. Казань, ул. К.Маркса, 10, КНИТУ-КАИ, на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан « 14 » сентября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Бердников А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Наноматериалы со своими особыми свойствами открыли новую эпоху в технике и технологии материалов. Уникальные свойства наноматериалов, в частности, квантовых точек (КТ), углеродных нанотрубок (УНТ) и фуллеренов. открывают широкие перспективы для их применения во многих областях науки и техники: в производстве конструкционных материалов, оптоэлектронике, микроэлектронике, медицине и биологии. Свойства наноматериалов в значительной мере зависят от размеров и структуры наночастиц. Поэтому одной из приоритетных задач нанотехнологии является контроль этих параметров.

Спектроскопические методы, в том числе рамановское рассеяние и флуоресценция, дают возможность быстрого и неразрушающего контроля характеристик наноматериалов. Имеется достаточно много задач, для решения которых требуются малогабаритные приборы с высоким спектральным разрешением, например, подтверждение наличия УНТ или фуллеренов в крупных композиционных изделиях; проведение надежного экспресс-анализа характеристик наноматериалов «на месте» в случае массового их производства; контроль флуоресценции КТ внутри организма больного человека при их использовании для визуализации патологий, детекции маркеров заболевания, получения изображений живых клеток или доставки лекарств. Последняя задача требует, чтобы спектральный прибор создавал пространственное изображение («изображающие» спектрографы).

Спектральные приборы, предназначенные для исследования рамановского рассеяния и флуоресценции, представляют собой, в основном, двойные и тройные монохроматоры, имеющие низкий коэффициент пропускания, большие габариты и высокую цену. В таких приборах отсутствует одновременная регистрация спектра, которая необходима при использовании многоэлементных фотоэлектрических приемников излучения, применяемых в современных малогабаритных приборах. Используемые в настоящее время спектрографы либо являются малогабаритными, но не обладают достаточным спектральным разрешением, либо используются совместно с микроскопами и обладают высоким спектральным разрешением, но имеют большие габариты.

Спектрографы на основе вогнутых отражательных голограммных дифракционных решеток (ВОГДР) более полно отвечают требованиям к малогабаритным спектральным приборам.

Существенный вклад в разработку оптических схем спектральных приборов на основе ВОГДР внесли: Пейсахсон И.В., Павлычева Н.К., Нагулин Ю.С., Бажанов Ю.В., Ыатюка Т., Зеуа М„ Раввегап С. и др.

Известны работы, посвященные спектральным методам исследования наноматериалов: Dresselhaus M.S., Kuzmany Н., Saito R., Jorio A., Thomson C., Reich S„ Kneipp К., Hyungbin S., Fei X., Yang X., Олейников B.A., Дирин Д.Н. и др.

Однако научно-обоснованная методика разработки оптических схем малогабаритных спектральных приборов, предназначенных для исследования наноматериалов, в настоящее время отсутствует, и ее создание является актуальной задачей оптического приборостроения.

Объектом исследования являются малогабаритные спектрографы на основе вогнутых отражательных голограммных дифракционных решеток для исследования наноматериалов.

Предмет исследования: оптические схемы малогабаритных спектрографов для исследования наноматериалов и их аберрационные характеристики.

Целью диссертационной работы является разработка малогабаритных спектрографов с высоким разрешением для исследования спектральных характеристик углеродных нанотрубок, фуллеренов и квантовых точек.

Научная задача диссертации заключается в разработке научно-обоснованной методики построения оптических схем малогабаритных спектрографов для исследования спектров углеродных нанотрубок, фуллеренов и квантовых точек, основанных на ВОГДР и использовании многоэлементных фотоэлектрических приемников излучения.

Решение поставленной задачи проводилось по следующим основным направлениям:

1. Аналитический обзор литературных данных для выявления наиболее популярных методов для исследования спектральных особенностей и характеристик углеродных нанотрубок (УНТ), фуллеренов и квантовых точек (KT) и перспективных схем спектральных приборов, используемых для регистрации спектров этих наноматериалов с требуемым спектральным разрешением.

2. Анализ методов расчета оптических схем спектрографов на основе ВОГДР.

3. Экспериментальные исследования спектров поглощения и рамановского рассеяния в УНТ на установке с малогабаритным спектрографом.

4. Обоснование технических требований к оптическим схемам малогабаритных спектрографов на основе ВОГДР для исследования спектров наноматериалов.

5. Разработка оптических схем малогабаритных спектрографов на основе ВОГДР для исследования спектров флуоресценции KT, рамановского рассеяния

в фуллеренах и УНТ и поглощения в УНТ.

1

6. Разработка оптических схем на основе «изображающих» ВОГДР для исследования спектров флуоресценции КТ в узких спектральных диапазонах.

Методы исследования. В диссертационной работе использовались аналитические методы, основанные на теории аберраций ВОГДР, методы компьютерного моделирования с применением современных программ расчета оптики, проводились экспериментальные исследования.

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

1. Сформулированы требования к оптическим схемам малогабаритных спектрографов для исследования наноматериалов.

2. Получена аналитическая зависимость числа штрихов дифракционной решетки от дисперсии, средней длины волны спектрального диапазона и радиуса кривизны дифракционной решетки и предложена методика расчета оптических схем на ее основе.

3. Разработана методика расчета оптических схем малогабаритных спектрографов на основе ВОГДР для исследования спектров:

- флуоресценции различных типов КТ в широких спектральных диапазонах: 300-700 нм, 600-1000 нм и 800-1600 нм;

- рамановского рассеяния в фуллеренах и УНТ в различных спектральных диапазонах длин волн: 534-622 нм, 637-765 нм, 791-997 нм и 1075-1495 нм;

- поглощения в УНТ в спектральном диапазоне 600-1050 нм.

4. Разработана методика расчета оптических схем малогабаритных спектрографов на основе «изображающих» ВОГДР для исследования КТ в узких спектральных диапазонах.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Разработана установка для исследования рамановского рассеяния в УНТ и фуллеренах на малогабаритном спектрографе, оптическая схема которого построена на основе ВОГДР, с источником излучения - малогабаритным диодным лазером и диодной линейкой в качестве приемника излучения.

2. Экспериментально полученный рамановский спектр позволил определить размер, структуру, тип нанотрубок, тип проводимости, качество порошка и оценить примеси и структурные дефекты УНТ.

3. На основе рассчитанных схем выработаны рекомендации на построение мобильных малогабаритных и сравнительно дешевых приборов, позволяющие делать «на месте» надежный быстрый анализ характеристик наноматериалов и их композитов.

Достоверность и обоснованность полученных результатов

подтверждается хорошим совпадением экспериментальных результатов исследования рамановского рассеяния в УНТ, полученных автором, с результатами, опубликованными в зарубежной литературе, а также

3

совпадением поверочных расчетов аберраций спектрографов с помощью двух программ: отечественной «КуаШБр» и зарубежной «гетах».

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Технические требования к оптическим схемам малогабаритных спектрографов, предназначенных для исследования наноматериалов.

2. Аналитическая зависимость числа штрихов дифракционной решетки от дисперсии, средней длины волны спектрального диапазона и радиуса кривизны дифракционной решетки и методика расчета оптических схем на ее основе.

3. Методика расчета и оптические схемы малогабаритных спектрографов на основе ВОГДР для исследования спектров:

- флуоресценции КТ в широких спектральных диапазонах длин волн: 300-700 нм, 600-1000 нм, 800-1600 нм, позволяющие создать мобильные установки;

- рамановского рассеяния в фуллеренах и УНТ в различных спектральных диапазонах длин волн: 534-622 нм, 637-765 нм, 791-997 нм и 1075-1495 нм, позволяющие создать мобильные установки;

- поглощения в УНТ в спектральном диапазоне 600-1050 нм, позволяющие создать мобильную установку.

4. Методика расчета и оптические схемы малогабаритных спектрографов на основе «изображающих» ВОГДР в узких спектральных диапазонах, дающие пространственное изображение КТ при использовании матрицы в качестве фотоприемника или позволяющие использовать две входных щели и две линейки и регистрировать флуоресценцию двух КТ одновременно.

Реализация результатов исследования. Результаты работы внедрены:

- при выполнении государственного контракта №ПЗЗЗ от 28.07.2009г„ создан макет малогабаритной установки и получены спектры рамановского рассеяния нанотрубок;

- в учебном процессе на кафедре «Оптико-электронные системы» КНИТУ-КАИ в рамках дисциплины «Оптические методы и приборы для научных исследований»;

- при выполнении темы «Разработка аванпроекта системы солитонов, управляемых дисперсией, для сетей доступа» в Казанском отделении Международной общественной организации «Международная общественная академия связи».

Апробация работы. Основные положения, выводы и результат диссертационной работы докладывались на П-й Всероссийской межвузовской научной конференции «Наука и образование в развитии промышленности» г.Муром, 5 февраля 2010 г., IX Международной конференции «Прикладная оптика», г.Санкт-Петерпург, 18-22 октября 2010г., Международной конференции «Нанотехнология в промышленности», г.Казань, 8-10 декабря

4

2010г., XIV Международной конференции «Туполевские чтения», г.Казань, 2628 мая 2011г. и 1-st International conference «Nanomaterials Applications & Properties NAP-2011», Alushta Crimea Ukraine, 27-30 September 2011 г..

Личный вклад автора. Автором проведен аналитический обзор литературных данных, получена аналитическая формула для расчета числа штрихов дифракционной решетки и предложена методика расчета оптических схем на ее основе, проведены экспериментальные исследования поглощения и рамановского рассеяния в УНТ, разработаны оптические схемы малогабаритных спектрографов на основе ВОГДР и «изображающих» ВОГДР для исследования наноматериалов и проведено их компьютерное моделирование.

Публикации: По результатам исследования опубликовано 10 научных работ, в том числе 4 статьи, из них 3 в журналах, рекомендованы ВАК и 1 зарубежная, 6 материалов докладов.

Структура и объем диссертации:

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 189 наименований. Объем работы 180 страниц машинописного текста, в том числе 74 рисунок. 48 формул и 43 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность и важность вопросов, рассматриваемых в диссертации, формулируется цель работы.

В первой главе рассмотрены спектральные особенности УНТ, фуллеренов и КТ, основные методы их исследования и современные спектральные приборы, используемые для исследования спектров наноматериалов.

Проведенный анализ показывает, что спектроскопия рамановского рассеяния света является наиболее популярным и информативным методом для исследования характеристик УНТ и фуллеренов, для исследования КТ используют метод флуоресценции. С помощью этих методов с большой точностью определяют размеры и структуру УНТ, фуллеренов и КТ.

В настоящее время для исследования спектров наноматериалов используют сложную дорогостоющую аппаратуру (в основном - двойные и тройные монохроматоры), имеющую большие габариты. Оптическая схема таких приборов построена по схеме Черни-Турнера (рис.1). Используемые в настоящее время спектрографы либо являются малогабаритными, но не обладают достаточным спектральным разрешением, либо используются совместно с микроскопами и обладают высоким спектральным разрешением,

5

но имеют большие габариты. В тоже время имеется большое количество задач, для решения которых требуются малогабаритные дешевые приборы с простой оптической схемой и высоким спектральным разрешением.

Рис.1. Оптическая схема двойного монохроматора по схеме Черни-Турнера: С-решетка, 8-щель, М-зеркало

В завершающей части главы сформулированы требования к спектральному прибору, предназначенному для регистрации слабых сигналов, таких как рамановское рассеяние и флуоресценция: высокая светосила, низкий уровень рассеянного света, минимальное количество оптических деталей, большой коэффициент пропускания и высокое спектральное разрешение.

Спектрографы с плоским полем на основе ВОГДР (рис.2) удовлетворяют этим требованиям. Кроме того спектрографы позволяют использовать многоэлементные приемники излучения, обеспечивающие автоматизацию процесса измерения и обработки сигналов.

о> ^л э

Рис.2. Принципиальная оптическая схема спектрографа с плоским полем на основе ВОГДР: О-решетка, 5-щель, РОА-многоэлементный фотоприемник

Во второй главе проведен анализ методов расчета оптических схем спектрографов на основе ВОГДР, рассмотрено программное обеспечение для автоматизации расчетов и компьютерного моделирования оптических схем.

Для разработки методик расчета схем малогабаритных спектрографов выбраны методы, основанные на исследовании аберрационных свойств дифракционных решеток, используя разложение в ряд функции оптического пути:

У(у,2) = -уР0 + + + + + (1)

+ 8г3 Г5 + 4г-1 Г6 + 8г< 7 + •••

Коэффициент Р, характеризует фокусировку лучей в меридиональной плоскости, - в сагиттальной, характеризует меридиональную кому, ^ -сагиттальную, Т7?, Р1 характеризуют аберрации 3-го порядка.

Равенство Г,-О является условием коррекции аберраций, характеризуемой этим коэффициентом. Коэффициенты имеют вид:

где содержат параметры схемы (с!, (3'0, ф и ф'), Н, содержат параметры голографирования или параметры записи решетки (с!|, d2, ¡1 и ¡г), которые определяют конструктивные параметры решетки (радиус кривизны штрихов и расстояния между ними), Хо - длина волны записи.

Специфика расчета схем с ВОГДР состоит в том, что расчет их конструктивных параметров невозможен без расчета параметров записи решетки.

Налагая определенные условия на коэффициенты характеристической функции, можно исправлять аберрации решетки в определенных схемах. При этом добиваются либо выполнения условий минимизации отдельных членов функции F¡ в некотором диапазоне длин волн, либо условий равенства нулю этих членов для определенных длин волн.

Изложены методы расчета спектрографов с плоским полем и спектрографа с расширенным спектральным диапазоном. Приведены краткие описания программ, используемых для проведения расчета этих схем.

Проектирование современных спектральных приборов проходит через этап компьютерного моделирования. Компьютерное моделирование и поверочные расчеты проводятся с помощью программы Тлтлх. Для расчета аберраций используются программы КуапгБр и гпах. Для расчета аппаратных функций спектрографа используется программа КуатБр.

Для вычисления частоты штрихов дифракционной решетки (Л/ в мм"1) была получена следующая ее зависимость от )-ср, сГ0 и 20:

с1 О • ^ у/^ •( 1+С05 2 0)

соз(Агс^

N =-

МО6 (2)

И '

"О М1

где d'o - расстояние от вершины дифракционной решетки до изображения входной щели в мм. к - средняя длина волны диапазона в нм, 20 - угол, между падающим лучом и лучом средней длины волны, дифрагированным в вершине решетки, выбирается из конструктивных соображений (он должен позволять разместить входную щель и приемник излучения без использования дополнительных зеркал).

Выражение (2) позволило усовершенствовать расчет оптических схем спектрографов.

В третьей главе приведены результаты экспериментального исследования поглощения и рамановского рассеяния в УНТ, проведенного для выяснения возможности создания малогабаритной мобильной установки.

На спектрофотометре UV-2550 был записан спектр поглощения УНТ в диапазоне длин волн 370-1050 нм (рис.3). Для получения суспензии наночастиц был использован полисахарид (Arabic gum).

Пики на спектре используют для определения типа УНТ (проводниковая или полупроводниковая) и их диаметров с помощью следующих эмпирических выражений:

S„=0,824/d, S22=1.65/d. M,,=2.47/d. где: d - диаметр трубки, S^, - резонансная энергия электронных переходов (в эв) для полупроводниковой и проводниковой нанотрубки, соответственно. Sn и Мн можно рассчитать, как hc/A. . где h - постоянная Планка, с - скорость света, а - длина волны, которая соответствует максимумам на рис. 3.

0.743

Рис.3. Спектр

F 0.600 поглощения углеродных

нанотрубок

И

XI

<

0.400

0.200

370.00 600.00 800.00 1000 00 1050

nm

Из рис. 3 видно, что максимумы поглощения находятся в диапазоне 6501000 нм, который соответствует Su переходам полупроводниковых УНТ с диаметрами 0.45 -ь 0,66 нм и/или S22 переходам полупроводниковых УНТ с

8

диаметрами 0,86 ч- 1,33 нм и/или Мц переходам проводниковых УНТ с диаметрами 1,29 2 нм.

Проведенные эксперименты показали, что спектры поглощения УНТ не могут полностью охарактеризовать эти материалы. Однако спектр поглощения УНТ может быть использован для определения стабильности суспензий и для оценки качества их порошков. Кроме того, биологические системы весьма прозрачны для ближней инфракрасной (БИК) области (700 - 1100 нм). Сильное оптическое поглощение УНТ в этом спектральном диапазоне может быть использовано для решения многофункциональных биологических задач.

Был исследован также спектр диффузного отражения, записанный с помощью интегрирующей сферы. В случае регистрации диффузного отражения наноматериалы использовались в виде порошка. Эксперименты показали, что спектр поглощения УНТ более информативен.

На основе светосильного малогабаритного спектрографа «Сириус» была создана лабораторная установка для исследования рамановского рассеяния в УНТ и фуллеренах (рис.4). Как известно, рамановский сигнал является очень слабым, на 8-10 порядков меньше, чем рэлеевское рассеяние. Для повышения уровня сигнала используют поверхностное усиленное рамановское рассеяние. Такой метод не требует перестраиваемых лазеров, как в методе резонансного рамановского рассеяния, поэтому является простым и подходящим методом для нашей малогабаритной мобильной установки. В методе поверхностного усиленного рамановского рассеяния используют подложку из одного из следующих металлов: золото, серебро или медь, а затем наносится исследуемый материал.

Рис.4. Оптическая схема установки для исследования рамановского рассеяния в УНТ

9

В состав установки входят (рис.4): 1- малогабаритный диодный лазер с длиной волны 532,5 нм, 2- коллиматор. 3- фокусирующий объектив, 4-серебряная подложка с исследуемым веществом, 5- сферическое зеркало с относительным отверстием 1:2, собирающее рассеянное излучение и направляющее его на входную щель. 6- Ыо1сЬ-фильтр - для подавления рассеянного в приборе лазерного излучения в узкой полосе частот, 7- входная щель. 8- поворотное зеркало. 9- ВОГДР. 10- корректирующая линза. 11-диодная линейка с размером пиксела 14*150 мкм. 12- ловушка нулевого порядка.

Большое расстояние между 2 и 3 элементами в установке необходимо, чтобы избавится от некогерентных излучений лазера. Это расстояние можно уменьшить до 40 мм при использовании интерфернционного фильтра.

Исследования проводились с различными значениями ширины входной щели и относительного отверстия для определения их оптимальных значений. Все эксперименты проводились при комнатной температуре.

Рамановское смещение Ду для линий ЯВМ|, Р.ВУЬ, О и С составило 175 см'1, 454 см'1, 1442 см'1 и 1535 см'1, соответственно (рис.5).

2Ю 3® «О 500 600 ТОО 800 900 1 0Ш 1 100 1 200 1300 1 400 1 500 1 600 1 700 1800 1 900 Рис.5. Спектр УНТ, полученный при следующих условиях: мощность лазера 200 мВ на длине волны 532,5 нм с Notch-фильтром, относительное отверстие 1:4, ширина входной щели 50 мкм. По оси абсцисс отложены номера пикселей

Анализ результатов показывает, что в исследуемом порошке большинство УНТ являются многослойными полупроводниками, имеющими внутренний

диаметр 10-20 нм и внешний 20-80 нм, что близко к данным, приведенным в сертификате. Однако имеется большой процент структурных дефектов и аморфного углерода (не указано в сертификате). Также присутствуют однослойные нанотрубки с диаметрами 0,54 нм и 1,42 нм (не указано в сертификате), что согласуются с результатами, полученными при исследовании спектра поглощения УНТ.

Таким образом, эксперименты подтвердили возможность получения рамановского сигнала на малогабаритном спектрографе на основе ВОГДР и показали, что исследование спектра рамановского рассеяния в УНТ позволяет полностью их охарактеризовать.

В четвертой главе представлены оптические схемы малогабаритных спектрографов для исследования флуоресценции квантовых точек.

Анализ научно-технической литературы позволил сформулировать следующие требования к оптическим схемам малогабаритных спектрографов для регистрации флуоресценции:

- оптическая схема должна быть построена на основе ВОГДР;

- должна быть предусмотрена возможность использования многоэлементных приемников излучения (диодных линеек или матриц);

- спектральный диапазон должен соответствовать области флуоресценции;

- радиус кривизны дифракционной решетки S 200 мм;

- относительное отверстие > 1:4 и спектральное разрешение < 5 нм.

В соответствии с этими требованиями разработаны оптические схемы малогабаритных спектрографов на основе ВОГДР с плоским полем для исследования спектра флуоресценции КТ в широких спектральных диапазонах (табл. 1).

Таблица!

Спек. диап. (нм) R (мм) d (мм) do* (мм) Ч> 9' ср N (1 /мм) Шнр. щели Отн отв. 6Х (нм)

300 -700 200 195,7 195,714 13,817 -3,372 360 0,1 1/4 2

600-1000 200 195,5 195,436 16,968 -0,22 360 0,1 1/4 2

800-1600 200 197,9 197,887 11,266 -0,193 160 0,06 1/4 2,9

Астигматизм полностью исправлен в центре спектрограммы. На краях спектрограммы астигматическое удлинение изображения входной щели не превышает 1,4 мм.

Разработаны оптические схемы малогабаритных спектрографов на основе «изображающих» ВОГДР для исследования флуоресценции различных типов

КТ в узких спектральных диапазонах с высоким спектральным разрешением и большим относительным отверстием (табл. 2).

Таблица 2

Спек, диап. (нм) И (мм) <] (мм) «V (мм) <? 9' Ч> N (1/мм) Шир. щели Отн отв. дк (нм)

650-750 100 98,64 101,625 25,652 10,705 880 0,04 1/2 0,6

360-500 100 99,38 100,715 17,328 7,346 700 0,06 1/3 ]

480-660 100 99,33 100,766 17,893 7,565 660 0,06 1/3 1,3

300-460 100 99,16 100,673 19,766 8,3036 1270 0,1 1/4 1,15

630-860 100 99,3 3 100,774 17,921 7,576, 590 0,06 1/3 1,5

Рассмотрены разные варианты схем для каждого типа КТ. Все разработанные схемы были рассчитаны по методике спектрографа с расширенным спектральным диапазоном. В рассчитанных схемах удалось уменьшить астигматизм в 40-70 раз по сравнению со схемами, рассчитанными по методике расчета спектрографа с плоским полем, дефокусировка также уменьшалась, что привело к увеличению спектрального разрешения. Меридиональная кома практически отсуствовала по всему полю.

При расчете спектрографа для исследования Сс15е квантовых точек в спектральном диапазоне 480-660 нм разработаны два варианта, ориентированные на существующие диодные линейки, первый вариант с длиной спектра 9 мм и относительным отверстием 1/2, а второй вариант с длиной спектра 14 мм и относительным отверстием 1/3. Расчеты показали, что разработку спектрографа с длиной спектра 9 мм конструктивно трудно выполнить, т.к. угол падения ср = 0,19718 рад. и угол дифракции крайней длины волны ф'ббо = 0,1345 рад. близки. Более целесообразным вариантом является спектрограф с длиной спектра 14 мм и относительным отверстием 1/3.

Конструктивные параметры схемы были рассчитаны по методике расчета спектрографа с расширенным спектральным диапазоном и имеют следующие значения при №=660 штр./мм:

(1=99,331 ми, ё0' = 100,766мм, <р = 17°53'36", <р'570= 07°33'55", где (1 - расстояние от входной щели до вершины решетки, расстояние с1а' соответствует фокусировке излучения средней длины волны 570 нм, <р - угол падения лучей, <р';70 - угол дифракции средней длины волны и /V- частота штрихов ВОГДР.

Параметры записи дифракционной решетки минимизируют в плоскости приемника астигматизм и меридиональную кому для двух длин волн 525 нм и 615 нм, расположенных симетрично относительно центральной длины волны.

Параметры записи имеют при длине волны записи 441,6 нм следующие значения:

с1,= 99,493мм, ¿2= 99,365мм, ;,= 17°2Г53", ¡2= -02°22'59", где: ¿2 - расстояния от источников голографирования до вершины решетки, 'ь ¿г - углы, под которыми излучение от источников падает в вершину решетки.

В таблице 3 приведены аберрации спектрографа для Сс18е. _______Таблица 3

У 2 X = 480 нм, у'= -7,029 мм X = 570 нм, у' =0 мм X = 660 нм, у' =7,095 мм

5 У 5 г' б у' 5 г' 8 у' 6 г'

17 0 -0.064 0 0,022 0 -0,058 0

8,5 0 -0,032 0 0,011 0 -0,029 0

-8,5 0 0.031 0 -0.011 0 0,028 0

-17 0 0,061 0 -0,022 0 0,055 0

0 8.5 -0.001 -0,001 -0,001 0,001 -0,002 0,005

0 17 -0,002 -0.003 -0,003 0,003 -0,007 0.009

Расчет аппаратных функций спектрографа проводился для центра входной щели шириной 0,06 мм. Ширина аппаратной функции на половине высоты (полуширина) спектрографа по всему полю не превышает 0,1 мм (рис.6), что обеспечивает спектральное разрешение 1,3 нм. Астигматизм полностью исправлен в центре спектрограммы. На краях спектрограммы астигматическое удлинение изображения входной щели не превышает 0,016 мм.

480 нм

•087 ч>М -О 01

оу мм

Рис.6. Аппаратные функции спектрографа для Сс18е

Принципиальная схема установки для исследования флуоресценции КТ, в которой могут быть использованы разработанные спектрографы, приведена на рис.7 (в качестве примера представлена оптическая схема для Сс15е).

В состав установки входят (рис.7): 1- малогабаритный диодный лазер с длиной волны в УФ области спектра, 2- коллиматор, 3- фокусирующий объектив, 4- исследуемое вещество, 5- короткофокусный светосильный

13

объектив, собирающий излучение флуоресценции. 6- фокусирующий объектив, 7- Ыо^Ь-фильтр, 8- входная щель. 9- ВОГДР. 10- диодная линейка, 11- ловушка нулевого порядка.

О ^^^

При расчете аппаратных функций спектрографов для входной щели с высотой ±1 мм, спектральное разрешение и астигматизм не меняются. Следовательно, можно отнести ВОГДР, на основе которых рассчитаны эти схемы, к "изображающим" решеткам.

Таким образом, сформулированные в начапе главы технические требования к оптическим схемам малогабаритных спектрографов для исследования КТ выполнены в полном объеме.

В пятой главе представлены оптические схемы малогабаритных спектрографов для исследования поглощения и рамановского рассеяния в углеродных нанотрубках и фуллеренах.

Экспериментальные исследования рамановского рассеяния в УНТ позволили сформулировать следующие требования к оптическим схемам малогабаритных спектрографов для исследования рамановского рассеяния в УНТ и фуллеренах:

- оптическая схема должна быть построена на основе ВОГДР:

- должна быть предусмотрена возможность использования многоэлементных приемников излучения (диодных линеек или матриц);

- спектральный диапазон, соотвествует рамановскому смещению 100-2700 см"1 от длины волны лазера;

- радиус кривизны дифракционной решетки < 200 мм;

- относительное отверстие = 1/4;

- обратная линейная дисперсия < 4 нм/мм при использовании для возбуждения зеленого лазера;

- ширина входной щели 25-50 мкм;

- спектральное разрешение < 4 см"'.

Требования к оптической схеме малогабаритного спектрографа для исследования спектра поглощения в УНТ: спектральный диапазон 600-1050 нм и спектральное разрешение < 1 нм.

Предложены ряд схем малогабаритных спектрографов на основе ВОГДР для регистрации рамановского рассеяния в УНТ и фуллеренах при использовании для возбуждения лазеров с различными длинами волн (таб. 4).

Таблица 4

X лазер Спек, лиан. N (1/мм) Шнр. щели 6 у (см ') N с линзой г (мм) линзы Шир. щели ЙУ -1 (см )

532 534-622 1500 0,05 11 1400 52 0,025 3,5

633 637-765 1080 0,075 14 1000 47 0,025 3,5

785 791 - 997 690 0,075 17 600 46 0,025 3,5

1064 1075-1495 300 0,075 18 270 48 0,025 4,5

В качестве примера ниже приведен расчет для лазера с длиной волны 532 нм, рабочий спектральный диапазон: 534-622 нм, оптическая схема рассчитана по методике спектрографа с плоским полем. Для увеличения разрешения перед приемником была установлена цилиндрическая вогнуто-плоская линза с радиусом кривизны 52 мм (стекло К8).

Конструктивные параметры схемы имеют следующие значения при N=1400 штр./мм (N=1500 штр./мм для схемы без корректирующей линзы): <1 = 205,2 мм, ¿о = 205,3 мм, <р = 31° 35' Об", <р'578 = 16°35' 06".

Параметры записи дифракционной решетки минимизируют в плоскости приемника дефокусировку, астигматизм и меридиональную кому и имеют при длине волны записи 441,6 нм следующие значения:

¿¡=488,806 мм, ¿2= 211,46мм, ¡,=72°34'47", /2 = 19°37'37".

В таблице 5 приведены аберрации спектрографа с линзой.

На рис. 8, 9 и 10 представлены аппаратные функции спектрографа, пятна рассеяния и графики аберраций для 3-х длин волн, соответственно.

У z >. = 534 нм, у1—14,006 мм \= 578 нм, у'=0 Х=622 нм, у'= =14,277 мм

5 У бг1 5 У 5 г' 5 у 5 У

25 0 -0,033 0 0,011 0 0,014 0

12,5 0 -0,009 0 0,007 0 0,003 0

-12,5 0 -0,006 0 -0,008 . 0 0,002 0

-25 0 -0,025 0 -0,015 0 0,011 0

0 12,5 0,004 -0,088 0,004 -0,025 0,005 0,089

0 25 0,013 -0,174 0,018 -0,05 0,021 0,179

Рис.8. Аппаратные функции спектрографа: а - без корректирующей линзы, Ь - с корректирующей линзой

Расчет аппаратных функций спектрографа проводился для центра входной щели шириной 0,025 мм (рис.8 кривая Ь) и 0,05 мм (рис.8 кривая а). Из рисунка видно, что полуширина аппаратной функции спектрографа с корректирующей линзой по всему полю не превышает 0,032 мм, что соответствует спектральному разрешению 0,1 нм или 3,5 см .

534 пш

Spot Diagram

CNTs 532.ZMX CONFIGURATION

578 rm

CNTs 532 . 2M

622 nm1

Spot Diagram

CNTs 532.ZM

Рис.9. Пятно рассеяния для 3-х длин волн

EY-

РУ

EX:

i i i i ^

534 nm

Maximum Scale:i200l®i

Mill

PX

EV-

EX-

578 nm

i i i i i i i i i

PY

/

Maximum Scale: +20 im

PX

EY

>i i

EXt

622 nm

I I К I I I I My

PY

PX

Maximum Scale: ±500 P

Рис.Ю. Графики аберраций в меридиональной и в сагиттальной плоскостях

При необходимости плавно менять энергию лазера или использовать различные длины волн для возбуждения требуется рассчитать спектрограф со сменными дифракционными решеткми. Разработана оптическая схема малогабаритного спектрографа со сменными дифракционными решетками для исследования рамановского рассеяния в фуллеренах и УНТ (рисЛ1). В таблице 6 приведены технические характеристики спектрографов.

Таблица 6

№ п/п Спек. диап. (нм) Ддиап. 1 ллзер (нм) N (1/мм) R (мм) Шир. щели (мм) Отн. отв. 6 V -1 (см )

1 460 - 596,4 460 - 544 965 200 0,025 1/4 4

2 596,4 - 773,3 590 - 690 685 200 0,025 1/4 4

3 773,3 - 1002,6 765 - 865 574 200 0,025 1/4 4

Конструктивные параметры схемы спектрографа со сменными решетками рассчитаны по методике расчета спектрографа с расширенным спектральным диапазоном и имеют следующие значения:

й =198,106мм, ¿0' = 203, 6 мм, <р = 20°55'41", <р'ср = 08°46'22". Все разработанные оптические схемы спектрографов могут быть использованы для исследования рамановского рассеяния всех типах углеродных наноматериалов, в том числе и углеродных нанотрубок, и фуллеренов.

Разработана оптическая схема спектрографа на основе ВОГДР для исследования поглощения УНТ в спектральном диапазоне 600-1050 нм с высоким спектральным разрешением 0,6 нм.

Конструктивные параметры схемы с корректирующей линзой с радиусом кривизны 47 мм имеют следующие значения при N=300 штр./мм:

а= 196,5 мм, Ло = 196,503 мм, <р = 14°40' 13", <р'т = -0° 19'48". В таблице 7 приведены аберрации спектрографа с плоским полем (у, г -координаты луча на поверхности решетки).

Параметры записи дифракционной решетки минимизируют в плоскости приемника дефокусировку, астигматизм и меридионачьную кому и имеют при длине волны записи 441,6 нм следующие значения:

а, = 199,204 мм, с12= 202,950мм, ¡,=11°33'52", /2 = 03°53'54".

Таблица 7

У г X = 600 нм, у'=-14,29 мм X = 825 нм, у'=0,001 ^=1050 нм, у'= 14,277 мм

5 У' 5 г' 5 У 5 г' 5 у 5 г'

25 0 -0,035 0 0,024 0 0,033 0

12,5 0 -0,01 0 0,011 0 0,007 0

-12,5 0 -0,008 0 -0,011 0 0,011 0

-25 0 -0,041 0 -0,024 0 0,042 0

0 12,5 0 0,253 0 -0,006 0,003 -0,19

0 25 0 0,509 0,002 -0,012 0,012 -0,378

На рис. 12 представлены аппаратные функции спектрографа для исследования спектра поглощения в УНТ для 3-х длин волн. Расчет аппаратных функций спектрографов проводился для центра входной щели шириной 0,025 мм (с линзой, кривая Ь) и 0,05 мм (без линзы, кривая а).

Из рисунка 12 видно, что полуширина аппаратной функции спектрографа с корректирующей линзой по всему полю не превышает 0,04 мм, что соответствует спектральному разрешению 0,6 нм. Меридиональная кома практически отсуствовала по всему полю. Астигматизм полностью исправлен для центральной длины волны. На краях спектрограммы астигматическое удлинение изображения входной щели не превышает 0,88 мм.

Рис. 12. Аппаратные функции спектрографа: а - без корректирующей линзы, Ь - с корректирующей линзой

Таким образом, сформулированные в начале главы технические требования к оптическим схемам малогабаритных спектрографов для исследования УНТ и фуллеренов выполнены в полном объеме.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Анализ научно-технической литературы показал, что для исследования характеристик УНТ и фуллеренов наиболее популярным и информативным методом является спектроскопия рамановского рассеяния света, для исследования КТ используют метод флуоресценции. Наиболее перспективными схемами приборов для исследования наноматериалов являются спектрографы на основе ВОГДР с плоским полем с одновременной регистрацией спектра.

2. На основе анализа методов расчета спектрографов с ВОГДР установлено, что целесообразным методом является исследование аберрационных свойств дифракционных решеток, используя разложение в ряд функции оптического пути. Получена аналитическая зависимость числа штрихов дифракционной решетки от дисперсии, средней длины волны спектрального диапазона и радиуса кривизны дифракционной решетки и предложена методика расчета оптических схем на ее основе.

3. Проведены экспериментальные исследования поглощения и рамановского рассеяния в УНТ на установке с малогабаритным спектрографом на основе ВОГДР, малогабаритным диодным лазером и диодной линейкой. Результаты экспериментов позволили полностью охарактеризовать УНТ: определить размер наночастиц, ее структуру, тип нанотрубки, тип ее проводимости, качество порошка и оценить примеси и структурные дефекты.

определить размер наночаетиц, ее структуру, тип нанотрубки, тип ее проводимости, качество порошка и оценить примеси и структурные дефекты.

4. Сформулированы на основе анализа литературных данных и результатов экспериментальных исследований технические требования к оптическим схемам малогабаритных спектрографов на основе ВОГДР для исследования спектров:

- флуоресценции квантовых точек;

- рамановского рассеяния в фуллеренах и УНТ;

- поглощения в УНТ.

5. Разработаны оптические схемы малогабаритных спектрографов на основе ВОГДР и определены их параметры записи для исследования спектров:

а) флуоресценции КТ в широких спектральных диапазонах (достигнуто спектральное разрешение 2-3 нм при астигматическом удлинении изображения входной щели 0,7-1,4 мм): в диапазоне 300-700 нм (для квантовых точек ЪлЬ, Сс15, гпБе, СёБе, Сс18е/2п8, Сс18е/гп8е, Сё5е/С<1Те и Сс^/СёЗе); в диапазоне 600-1000 нм (для точек: СсЛе, ЯпТе, Сс1Те/Сс18, Сс1Н§Те/2п8, СаР и 1пР); в диапазоне 800-1600 нм (для квантовых точек 1пАя, ваАв, Pb.Se, РЬТе и РЬБ);

б) рамановского рассеяния в УНТ и фуллеренах при использовании для возбуждения разных лазеров: лазера с длиной волны 532 нм, в спектральном диапазоне 534-622 нм со спектральным разрешением 8у = 3,5 см"1; лазера с X = 633 нм, в спектральном диапазоне 637-765 нм с 5у = 3,5 см"'; лазера с к = 785 нм, в спектральном диапазоне 791-997 нм с 8у = 3,5 см1; лазера с к = 1064 нм, в спектральном диапазоне 1075-1495 нм с 5у = 4,5 см1; для перестраиваемого лазера со сменными решетками в спектральном диапазоне 460 - 1003 нм с 5у = 4 см"1;

в) поглощения в УНТ в спектральном диапазоне 600-1050 нм со

спектральным разрешением 0,6 нм.

6. Разработаны оптические схемы малогабаритных спектрографов на основе "изображающих" ВОГДР и определены их параметры записи для исследования флуоресценции каждого типа КТ отдельно в узких спектральных диапазонах с уменьшением астигматизма в 40-70 раз и с повышенным спектральным разрешением 5/. и большим относительным отверстием: спектральный диапазон 650-750 нм (КТ: 1пР и СаР), 5Х= 0,6 нм при ширине входной щели 0,04 мм и относительном отверстием 1/2; 360-500 нм (КТ: гпБе), 480-660 нм (КТ: СаБе) и 630-860 нм (КТ: СсШёТе/гп8), 51= 1-1,5 нм при ширине входной щели 0,06 мм и относительном отверстием 1/3; 300-460 нм (КТ 2п8 и С(15), 51= 1,15 нм при ширине входной щели 0,1 мм и относительном отверстием 1/4.

Результаты работы подтвердили возможность получения спектров наноматериалов на установке с малогабаритным спектрографом на основе ВОГДР и с использованием диодного лазера и диодной линейки - для исследования спектров УНТ, фуллеренов и KT.

На основе рассчитанных малогабаритных спектрографов выработаны рекомендации на построение мобильных малогабаритных и сравнительно дешевых приборов для регистрации спектров наноматериалов и их композитов с учетом их спектральных особенностей, позволяющие определить их свойства и оценить их качество.

Таким образом, настоящая работа является решением актуальной для оптического приборостроения задачи замены сложной дорогостоющей аппаратуры малогабаритными дешевыми приборами, имеющей существенное значение для оптического приборостроения.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

Публикации в изданиях, реомеидованных ВАК РФ:

1. Павлычева Н.К. Спектрограф для исследования квантовых точек CdSe / H.K. Павлычева, М. Хасан // Оптический Журнал. - 2010. - Т.77. - № 12. - С.3-5.

2. Хасан М. Спектроскопия углеродных наноматериалов / М. Хасан, Т.А.Филюнина //Вестник КНИТУ-КАИ.-2011. - № 3. - С.137-140.

3. Павлычева Н.К. Спектрограф для исследования рамановского рассеяния в углеродных нанотрубках / Н.К. Павлычева, М. Хасан // Оптический журнал. - 2012. - Т.79. - № 3. - С.47-50.

4. Pavlycheva N.K. Portable spectrographs for investigating nanomaterials / N.K. Pavlycheva and M.A. Hassan // Journal of Materials Science and Engineering A. - 2012. - Vol.2. - № 3. - P.334-340.

Публикации в других изданиях

5. Хасан М. Наноматериалы и особенности их спектров / М. Хасан // Ii-Всероссийская межвузовская научная конференция «Наука и образование в развитии промышленности». - Муром, 2010. - Т.5. - С. 186-188.

6. Хасан М. Исследование аналитических возможностей спектрофотометра UV 2550 / М. Хасан // XVIII Международная молодежная научная конференция «Туполевские чтения». - Казань, 2010. - Т.5. - С.5-7.

7. Павлычева Н.К. Спектрограф для исследования спектра углеродных нанотрубок / Н.К. Павлычева, И.Г. Вендеревская и М. Хасан // IX международная конференция «Прикладная оптика». - Санкт-Петерпург, 2010. -Т.1.-4.1.- С.191-194.

8. Хасан М. Спектральные особенности углеродных нанотрубок / М. Хасан и Т.А. Филюнина // Международная конференция «Нанотехнология в промышленности». - Казань, 2010. - Т.1. - С.49-51.

9. Хасан М. Исследование спектра углеродных наноматериалов / М. Хасан // XIV Международная молодежная научная конференция «Гуполевские чтения». - Казань, 2011. - Т.5. - С.20-21.

10. Pavlycheva N.K. Spectrographs for analyzing nanomaterials / N.K. Pavlycheva and M. Hassan // 1st International conference «Nanomaterials Applications & Properties NAP-201 b>. - Alushta, Crimea, Ukraine, 2011. Proceedings. - Vol.2. - part II. - P.328-336.

Формат 60x84 '/¡6. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 1,5. Усл. печ. л. 1,4. Уч.-изд. л. 1,2. Тираж 100. Заказ А131.

Типография издательства КНИТУ-КАИ. 420111, Казань, К. Маркса, 10

Введение.

Глава 1. Аналитический обзор литературы по исследованию наноматериалов.

1.1. Методы исследования углеродных нанотрубок и особенности их спектров.

1.2. Методы исследования фуллеренов и особенности их спектров.

1.3. Методы исследования квантовых точек и особенности их спектров

1.4. Спектральные приборы для исследования наноматериалов.

1.5. Выводы.

Глава 2. Анализ методов расчета и компьютерного моделирования оптических схем спектрографов.

2.1. Анализ методов расчета оптических схем спектрографов.

2.2. Программное обеспечение для автоматизации расчетов.

2.3. Компьютерное моделирование оптических схем.

2.4. Выводы.

Глава 3. Экспериментальные исследования спектров углеродных наноматериалов.

3.1. Исследование спектров поглощения и диффузного отражения.

3.2. Исследование спектра рамановского рассеяния в углеродных нанотрубках.

3.2.1. Установка для исследования рамановского рассеяния.

3.2.2. Результаты экспериментального исследования.

3.3. Выводы.

Глава 4. Оптические схемы малогабаритных спектрографов для исследования флуоресценции квантовых точек.

4.1. Спектрографы для широких спектральных диапазонов.

4.2. Спектрографы для каждого типа квантовых точек с повышенным разрешением в узких спектральных диапазонах.

4.3. Выводы.

Глава 5. Оптические схемы малогабаритных спектрографов для исследования углеродных нанотрубок и фуллеренов.

5.1. Рабочий спектральный диапазон.

5.2. Спектрографы для исследования рамановского рассеяния при использовании для возбуждения различных лазеров.

5.3. Спектрограф для исследования рамановского рассеяния со сменными дифракционными решетками.

5.4. Спектрограф для исследования спектра поглощения в углеродных нанотрубках.

5.5. Выводы.

Актуальность темы. Наноматериалы со своими особыми свойствами открыли новую эпоху в технике и технологии материалов. Уникальные свойства наноматериалов, в частности, квантовых точек (КТ), углеродных нанотрубок (УНТ) и фуллеренов, открывают широкие перспективы для их применения во многих областях науки и техники: в производстве конструкционных материалов, оптоэлектронике, микроэлектронике, медицине и биологии. Свойства наноматериалов в значительной мере зависят от размеров и структуры наночастиц. Поэтому одной из приоритетных задач нанотехнологии является контроль этих параметров.

Спектроскопические методы, в том числе рамановское рассеяние и флуоресценция, дают возможность быстрого и неразрушающего контроля характеристик наноматериалов. Имеется достаточно много задач, для решения которых требуются малогабаритные приборы с высоким спектральным разрешением, например, подтверждение наличия УНТ или фуллеренов в крупных композиционных изделиях; проведение надежного экспресс-анализа характеристик наноматериалов «на месте» в случае массового их производства; контроль флуоресценции КТ внутри организма больного человека при их использовании для визуализации патологий, детекции маркеров заболевания, получения изображений живых клеток или доставки лекарств. Последняя задача требует, чтобы спектральный прибор создавал пространственное изображение («изображающие» спектрографы).

Спектральные приборы, предназначенные для исследования рамановского рассеяния и флуоресценции, представляют собой, в основном, двойные и тройные монохроматоры, имеющие низкий коэффициент пропускания, большие габариты и высокую цену. В таких приборах отсутствует одновременная регистрация спектра, которая необходима при использовании многоэлементных фотоэлектрических приемников излучения, применяемых в современных малогабаритных приборах. Используемые в з настоящее время спектрографы либо являются малогабаритными, но не обладают достаточным спектральным разрешением, либо используются совместно с микроскопами и обладают высоким спектральным разрешением, но имеют большие габариты.

Спектрографы на основе вогнутых отражательных голограммных дифракционных решеток (ВОГДР) более полно отвечают требованиям к малогабаритным спектральным приборам.

Существенный вклад в разработку оптических схем спектральных приборов на основе ВОГДР внесли: Пейсахсон И.В., Павлычева Н.К., Нагулин Ю.С., Бажанов Ю.В., Namioka Т., Seya М., Passeran G. и др.

Известны работы, посвященные спектральным методам исследования наноматериалов: Dresselhaus M.S., Kuzmany Н., Saito R., Jorio A., Thomson C., Reich S., Kneipp К., Hyungbin S., Fei X., Yang X., Олейников В.А., Дирин Д.Н. и др.

Однако научно-обоснованная методика разработки оптических схем малогабаритных спектральных приборов, предназначенных для исследования наноматериалов, в настоящее время отсутствует, и ее создание является актуальной задачей.

Объектом исследования являются малогабаритные спектрографы на основе вогнутых отражательных голограммных дифракционных решеток для исследования наноматериалов.

Предмет исследования: оптические схемы малогабаритных спектрографов для исследования наноматериалов и их аберрационные характеристики.

Целью диссертационной работы является разработка малогабаритных спектрографов с высоким разрешением для исследования спектральных характеристик углеродных нанотрубок, фуллеренов и квантовых точек.

Научная задача диссертации заключается в разработке научнообоснованной методики построения оптических схем малогабаритных 4 спектрографов для исследования спектров углеродных нанотрубок, фуллеренов и квантовых точек, основанных на ВОГДР и использовании многоэлементных фотоэлектрических приемников излучения.

Решение поставленной задачи проводилось по следующим основным направлениям:

1. Аналитический обзор литературных данных для выявления наиболее популярных методов для исследования спектральных особенностей и характеристик углеродных нанотрубок (УНТ), фуллеренов и квантовых точек (КТ) и перспективных схем спектральных приборов, используемых для регистрации спектров этих наноматериалов с требуемым спектральным разрешением.

2. Анализ методов расчета оптических схем спектрографов на основе ВОГДР.

3. Экспериментальные исследования спектров поглощения и рамановского рассеяния в УНТ на установке с малогабаритным спектрографом.

4. Обоснование технических требований к оптическим схемам малогабаритных спектрографов на основе ВОГДР для исследования спектров наноматериалов.

5. Разработка оптических схем малогабаритных спектрографов на основе ВОГДР для исследования спектров флуоресценции КТ, рамановского рассеяния в фуллеренах и УНТ и поглощения в УНТ.

6. Разработка оптических схем на основе «изображающих» ВОГДР для исследования спектров флуоресценции КТ в узких спектральных диапазонах.

Методы исследования. В диссертационной работе использовались аналитические методы, основанные на теории аберраций ВОГДР, методы компьютерного моделирования с применением современных программ расчета оптики, проводились экспериментальные исследования.

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

1. Сформулированы требования к оптическим схемам малогабаритных спектрографов для исследования наноматериалов.

2. Получена аналитическая зависимость числа штрихов дифракционной решетки от дисперсии, средней длины волны спектрального диапазона и радиуса кривизны дифракционной решетки и предложена методика расчета оптических схем на ее основе.

3. Разработана методика расчета оптических схем малогабаритных спектрографов на основе ВОГДР для исследования спектров:

- флуоресценции различных типов КТ в широких спектральных диапазонах: 300-700 нм, 600-1000 нм и 800-1600 нм;

- рамановского рассеяния в фуллеренах и УНТ в различных спектральных диапазонах длин волн: 534-622 нм, 637-765 нм, 791-997 нм и 1075-1495 нм;

- поглощения в УНТ в спектральном диапазоне 600-1050 нм.

4. Разработана методика расчета оптических схем малогабаритных спектрографов на основе «изображающих» ВОГДР для исследования квантовых точек в узких спектральных диапазонах.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Разработана установка для исследования рамановского рассеяния в УНТ и фуллеренах на малогабаритном спектрографе, оптическая схема которого построена на основе ВОГДР, с источником излучения -малогабаритным диодным лазером и диодной линейкой в качестве приемника излучения.

2. Экспериментально полученный рамановский спектр позволил определить размер, структуру, тип нанотрубок, тип проводимости, качество порошка и оценить примеси и структурные дефекты УНТ.

3. На основе рассчитанных схем выработаны рекомендации на построение мобильных малогабаритных и сравнительно дешевых приборов, позволяющие делать «на месте» надежный быстрый анализ характеристик наноматериалов и их композитов.

Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается хорошим совпадением экспериментальных результатов исследования рамановского рассеяния в УНТ, полученных автором, с результатами, опубликованными в зарубежной литературе, а также совпадением поверочных расчетов аберраций спектрографов с помощью двух программ: отечественной «Куап^р» и зарубежной «7ешах».

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Технические требования к оптическим схемам малогабаритных спектрографов, предназначенных для исследования наноматериалов.

2. Аналитическая зависимость числа штрихов дифракционной решетки от дисперсии, средней длины волны спектрального диапазона и радиуса кривизны дифракционной решетки и методика расчета оптических схем на ее основе.

3. Методика расчета и оптические схемы малогабаритных спектрографов на основе ВОГДР для исследования спектров:

- флуоресценции КТ в широких спектральных диапазонах длин волн: 300-700 нм, 600-1000 нм, 800-1600 нм, позволяющие создать мобильные установки;

- рамановского рассеяния в фуллеренах и УНТ в различных спектральных диапазонах длин волн: 534-622 нм, 637-765 нм, 791-997 нм и 1075-1495 нм, позволяющие создать мобильные установки;

- поглощения в УНТ в спектральном диапазоне 600-1050 нм, позволяющие создать мобильную установку.

4. Методика расчета и оптические схемы малогабаритных спектрографов на основе «изображающих» ВОГДР в узких спектральных диапазонах, дающие пространственное изображение КТ при использовании матрицы в качестве фотоприемника или позволяющие использовать две входных щели и две линейки и регистрировать флуоресценцию двух КТ одновременно.

Реализация результатов исследования. Результаты работы внедрены:

- при выполнении государственного контракта №ПЗЗЗ от 28.07.2009г., создан макет малогабаритной установки и получены спектры рамановского рассеяния нанотрубок;

- в учебном процессе на кафедре «Оптико-электронные системы» КНИТУ-КАИ в рамках дисциплины «Оптические методы и приборы для научных исследований».

- при выполнении темы «Разработка аванпроекта системы солитонов, управляемых дисперсией, для сетей доступа» в Казанском отделении Международной общественной организации «Международная общественная академия связи».

Личный вклад автора. Автором проведен аналитический обзор литературных данных, проведены экспериментальные исследования поглощения и рамановского рассеяния в УНТ, разработаны оптические схемы малогабаритных спектрографов на основе ВОГДР и «изображающих» ВОГДР для исследования наноматериалов и проведено их компьютерное моделирование, получена аналитическая формула для расчета числа штрихов дифракционной решетки и предложена методика расчета оптических схем на ее основе.

Диссертация состоит из пяти глав. В первой главе представлен

Результаты работы подтвердили возможность получения спектров наноматериалов на установке с малогабаритным спектрографом на основе ВОГДР и с использованием диодного лазера и диодной линейки - для исследования спектров УНТ, фуллеренов и КТ.

На основе рассчитанных малогабаритных спектрографов выработаны рекомендации на построение мобильных малогабаритных и сравнительно дешевых приборов для регистрации спектров наноматериалов и их композитов с учетом их спектральных особенностей, позволяющие определить их свойства и оценить их качество.

Таким образом, настоящая работа является решением актуальной для оптического приборостроения задачи замены сложной дорогостоющей аппаратуры малогабаритными дешевыми приборами, имеющей существенное значение для оптического приборостроения.

Заключение

1. Насыров И.К. Нанотехнологии-Достижения и проблемы / И.К. Насыров, И.Б. Аксенов, И.Б. Халитов и Ю.Н. Осин // Электронное Приборостроение. -2008. -№2.-С.53-55.

2. Gogotsi Yury. Nanomaterials Handbook / Y. Gogotsi / CRC Press Taylor & Francis Group, 2006. 779 p.

3. Loiseau A. Understanding Carbon Nanotubes: From Basics to Applications / A. Loiseau, P. Launois, P. Petit, S. Roche and J.-P. Salvetat / Springer Berline, 2001. -623 p.

4. Veld M.A.J. Wondorous World of Carbon Nanotubes / M.A.J. Veld, M. Daenen, R.D. De Fouw, B. Hamers, P.G.A. Janssen and K. Schouteden / Report from Eindhoven University of Technology, 2003. 96 p.

5. Gusev A.I. Nanocrystalline Materials / A.I. Gusev and A.A. Rempel / Cambridge International Science Publishing, 2004. 357 p.

6. Dresselhaus M.S. Carbon Nanotubes: Synthesis, Structure, properties and Applications / M.S. Dresselhaus, G. Dresselhaus and P. Avouris / Springer Berline, 2001. 312 p.

7. Kauppinen E.I. Carbon Nanotubes Functionalized with Fullerenes / E.I. Kauppinen, Hua Jiang, D.P. Brown and A.G. Nasibulin // US Patent. -2009/0226704 Al.

8. Baughman R. H. Carbon Nanotubes-the route toward applications / R. H. Baughman, A.A. Zakhidov and Walt A. de Heer // Science. 2002. - V.297.-P.787-792.

9. Endo M. Potential Applications of Carbon Nanotubes / M. Endo, M.S. Strano and P.M. Ajayan // Topics in Applied Physics. 2008. - V.l 11. - P. 13-62.

10. Heller D.A. Single-walled carbon nanotubes spectroscopy in live cells: towardslong-term labels and optical sensors / D.A. Heller, S. Baik, Т.Е. Eurell and M.S.

11. Strano // Advanced Materials. 2005. - V.l7. - P.2793-2799.161

12. Zhang W. The Application of carbon nanotubes in target drug delivery systems for cancer therapies / W. Zhang, Z. Zhang and Y. Zhang // Nanoscale Research Letters. -2011. V.6. - P.555-594.

13. Lourie O. Evaluation of Yaung's Modulus of Carbon Nanotubes by micro-Raman Spectroscopy / O. Lourie and H.D. Wagner // J. Materials Research. 1998. - V.13. -№ 9. P.2418-2422.

14. Kizuka T. Yong's modulus of single-crystal fullerene C70 nanotuubes / T. Kizuka, K. Miyazawa and T. Tokumine // Journal of Nanotechnology. 2012. - Article ID 969357. - 5 p.

15. Nalwa H.S. Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology: Structural characterization of single-wall carbon nanotubes / H.S. Nalwa / American Scientific publishers, 2004, V.l. P. 125-147.

16. Contescu C.I. Dekker Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology / C.I. Contescu and K. Putyera / CRC Press Taylor & Francis Group. 2-ed., 2009. -4520 p.

17. Wang Zong Lin. Characterization of Nanophase Materials / Z.L. Wang / Wiley-VCH Verlag GmbH, 2000. 420 p.

18. Hosokawa M. Nanoparticle Technology Handbook / M. Hosokawa, K. Nogi, M. Naito and T. Yokoyama / Elsevies, 2007. 645 p.

19. Myers E. Growth and Characterization of Carbon Nanotubes / E. Myers, I. Zafar and A. Goyal / Summer 2007 REU Program at NJCEP Conference, New Jersey. -May 29-Augest 3 2007. - 15 p.

20. Fujita D. Nanostructure Characterization Using Low Temperature Scanning Tunneling Microscopy and Spectroscopy / D. Fujita / Report of National Institute for Material Science, Japan. 2004. - 32 p.

21. Keszler A.M. Characterization of carbon nanotube materials by Raman spectroscopy and microscopy / A.M. Keszler, L. Nemes, S.R. Ahmad and X. Fang // Journal of Optoelectronics and Advanced Materials. 2004. - V.6. - № 4. -P.1269-1274.

22. Hartschuh A. High resolution near-field Raman microscopy of single-walled carbon nanotubes / A. Hartschuh, E.J. Sanchez, X.S. Xie and L. Novotny // Physical Review Letters. 2003. - V.90. - P.095503(4).

23. Amama P.B. X-Ray and Raman characterization of single-wall carbon nanotubes / P.B. Amama, D. Zemlyanov, B. Sundarakannan, R.M. Katiyar and T.S. Fisher // Journal of Physics D: Applied Physics. 2008. - V.41. - P. 165306(5).

24. Rols S. Phonon density of state of single-wall carbon nanotubes / S. Rols, Z. Benes, E. Anglaret, J.L. Sauvajol, P. Papanek, J.E. Fisher, G. Coddens, H. Schober and A.J. Dianoux // Physical Review Letters. 2000. - V.85. - № 24. - P.5222-5225.

25. Eklund P.C. Vibrational Modes of Carbon Nanotubes: Spectroscopy and Theory / P.C. Eklund// Carbon. 1995. - V.33. № 7. - P.959-972.

26. Kataura H. Optical Properties of Single-Wall Carbon Nanotubes / H. Kataura, Y. Kumazwa, Y. Maniwa, I. Umezu, S. Suzuki, Y. Ohtsuka and Y. Achiba // Synthetic Metals. 1999. - V.103. - P.2555-2558.163

27. Saito R. Optical Properties and Raman Spectroscopy of Carbon Nanotubes / R. Saito and H. Kataura // Topics in Applied Physics. 2001. - V.80. - P.213-247.

28. Wang F. The Optical Resonance in Carbon Nanotubes Arise from Excitons / F. Wang, G. Ducovic, L.E. Brus and T.F. Heinz // Science. 2005. - V.308. - P.838-841.

29. Hualing Zeng. Optical properties of single wall carbon nanotubes / H. zeng / Thesis. Cand. of Tech. Sci.: The University of Hong Kong, 2008. 86 p.

30. Siitonen Anni. Spectroscopic studies of semiconducting single-walled carbon nanotubes / A. Siitonen / Thesis. Cand. of Tech. Sci.: Jyvaskyla University-Finland, 2010.- 58 p.

31. Patel Jay N. Growth and characterization of carbon nanomaterials / J.N. Patel / Thesis. Cand. of Tech. Sci.: Wright State University, 2011. 97 p.

32. Fantini C. Optical Transition Energies for Carbon Nanotubes from Resonant Raman Spectroscopy / C. Fantini, A. Jorio, M. Souza, M.S. Strano, M.S. Dresselhaus and M.A. Pimenta // Physical Review Letters. 2004. - V.39. - № 14. - P.147406.

33. Charlier J.-C. Electron and Phonon Properties of Graphen: Their Relationship with Carbon Nanotubes / J.-C. Charlier, P.C. Eklund, A.C. Zhu and J. Ferrari // Topics in Applied Physics. 2008. - V. 111. - P.673-709.

34. Bachilo S.M. Structured-Assigned Optical Spectra of Single-Wall Carbon Nanotubes / S.M. Bachilo, M.S. Strano, C. Kittrell, R.H. Hauge, R.E. Smalley and R.B. Weisman // Science. 2002. - V.298. - P.2361-2366.

35. Haniu H. Effect of dispersants of Multi-Wall Carbon Nanotubes on cellular uptake and biological responses / H. Haniu, N. Saito, Y. Matsuda, Y.-A. Kim, K.C. Park, T. Tsukahara, T. Tsukahara, Y. Usui, K. Aoki, M. Shimizu, N. Ogihara, K. Hara,164

36. S. Takanashi, M. Okamoto, N. Ishigaki, K. Nakamura and H. Kato // International Journal ofNanomedicine. 2011. - V.6. - P.3295-3307.

37. Iakoubovski K. Midgap Luminescence Centers in Single-Wall Carbon Nanotubes Created by Ultraviolet Illumination / K. Iakoubovski // Applied Physics Letters. -2006. V.89. - P.173108(4).

38. Wang F. Time-Resolved Fluorescence of Carbon Nanotubes and Its Implication for Radiative Lifetimes / F. Wang // Physical Review Letters. 2004. - V.92. -P. 177401(4).

39. Miyauchi Y. Cross-Polarized Optical Absorption of SWNTs Probed by Polarized Photoluminescence Excitation Spectroscopy / Y. Miyauchi // Physical Review B. -2006. V.74. - P.205440(4).

40. Lefebvre J. Bright band gap photoluminescence from unprocessed single-walled carbon nanotubes / J. Lefebvre, Y. Homma and P. Finnie // Physical Review Letters. 2003. - V.90. - № 21. - P.217401(4).

41. Harschuh A. Simultaneous Fluorescence and Raman Scattering from Single Carbon Nanotubes / A. Harschuh, H.N. Pedrosa, L. Novotny and T.D. Krauss // Science. 2003. - V.301. - P.1354-1356.

42. Heeg S. Quantitative composition of single-walled carbon nanotube sample: Raman scattering versus Photo-luminescence / S. Heeg, E. Malic, C. Casiraghi and S. Reich // Physica Status Solidi B. 2009. - V.246. - № 11-12. - P.2740-2743.

43. Okazaki T. Photoluminescence quenching in peapod-derived double-walled carbon nanotubes / T. Okazaki, S. Bandow, G. Tamura, K. Iakoubovski and S. Lijima // Physical Review B. 2006. - V.74,. - P. 153404.

44. Iakoubovski K. Optical Characterization of Double-Walled Carbon Nanotubes: Evidence for Inner Tube Shielding / K. Iakoubovski // Journal of Physical Chemistry C. 2008. -V.l 12. - № 30. P. 11194(4).

45. Yanagi K. Photosensitive Function of Encapsulated Dye in Carbon Nanotubes / K. Yanagi // J. of Am. Chem. Soc. 2007. - V.129. - № 16. - P.4992-4997.

46. Sfeir M. Y. Probing Electronic Transitions in Individual Carbon Nanotubes by Rayleigh Scattering / M.Y. Sfeir, F. Wang, L. Huang, C.C. Chuang, J. Hone, S.P. O'Brien, T.F. Heins, and L.E. Brus // Science. 2004. - V.306. - P. 1540-1543.

47. Joh D.Y. Single-Walled Carbon Nanotubes as Excitonic Optical Wire / D.Y. Joh, J. Kinder, L.H. Herman, S.-Y. Ju, M.A. Segal, J.N. Johnson, G.K.-L. Chan and J. Park // Nature Nanotechnology. 2011. - V.6. - P.51-56.

48. Slepyan J. Y. Theory of Optical Scattering by Chiral Carbon Nanotubes and Their Potential as Optical Nanoantennas / J.Y. Slepyan, M.V. Shuba, S.A. Maksimenko and A. Lakhtakia // Physical Review B. 2006. - V.73. - P. 195416(4).

49. Wang F. Interactions between individual carbon nanotubes studied by Rayleigh scattering spectroscopy / F. Wang, M. Huang, L.E. Brus and Y. Zhu // Physical Review Letters. 2006. - V.96. - P. 167401(4).

50. Souza Filho A.G. Stokes and Anti-Stokes Raman Spectra of Small-Diameter Isolated Carbon Nanotubes / A.G. Souza Filho, R. Saito, and A. Jorio // Physical Review B. 2004. - V.69. - P. 115428(4).

51. Jorio A. Characterizing carbon nanotube samples with resonance Raman scattering / A. Jorio, M.A. Pimenta, A.G. Souza Filho, R. Saito, G. Dresselhaus and M.S. Dresselhaus //New Journal of Physics. 2003. - V.5. - P. 139-156.

52. Michel T. About the indexing of the structure of single-walled carbon nanotubes from resonant Raman scattering / T. Michel, M. Paillet, A. Zahab, D. Nakabayashi,

53. V. Jourdain, R. Parret and J.-L. Sauvajol // Advances in Natural Sciences: Nanoscience andNanotechnology. -2010. V.l. - P.045007(5).

54. Telg H. First and second optical transitions in single-walled carbon nanotubes: a resonant Raman study / H. Telg, J. Maultzsch, S. Reich and C. Thomson // Physica Status Solidi B. 2007. - V.244. -№11.- P.4006-4010.

55. Garcia-Vidal F.J. Collective theory for Surface-enhanced Raman scattering / F.J. Garcia-Vidal and J.B. Pendry // Physical Review Letters. 1996. - V.77. - № 6. -P.l 163-1166.

56. Baltog I. Non-Linear Raman Scattering Effects Generated by the Surface Plasmons Excitation / I. Baltog, M. Baibaras, L. Mihut and I. Smaranda // Romanian Reports in Physics. 2010. - V.62. - № 3. - P.581-593.

57. Perevedentseva E. Surface enhanced Raman spectroscopy of carbon nanostructures / E. Perevedentseva, A. Karmenyan, P.-H. Chung, Y.-T. He and C.-L. Cheng // Surface Science. 2006. - V.600. - P.3723-3728.

58. Kneipp K. Surface-enhanced Raman scattering on single-wall carbon nanotubes / K. Kneipp, H. Kneipp, M.S. Dresselhaus and S. Lefrant // Phil. Trans. R. Sos. Lond. A. 2004. - V.362. - P.2361-2373.

59. Cancado L.G. Tip-Enhanced Raman Spectroscopy of Carbon Nanotubes / L.G. Cancado, A. Harschuh and L. Novot // J. of Raman Spectroscopy. 2009. - V.40. -P.1420-1426.

60. Harschuh A. Tip-Enhanced Optical Spectroscopy / A. Harschuh, A. Beversluis, A. Bouhelier and L. Novotny // Phil. Trans, of Royal Soc. A. 2004. - V.362. -P.807-819.

61. Peica N. Studying the local character of Raman features of single-walled carbon nanotube a long a bundle using TERS / N. Peica, C. Thomsen and J. Maultzsch // Nanoscale Research Letters. 2011. - V.6. - P. 174-190.

62. Kneipp K. Surface-Enhanced Raman Scattering: Physics and Applications / K. Kneipp, M. Moskovits and H. Kneipp // Topics Applied Physics. 2006. - V.103. -P.183-196.

63. Kneipp K. Nonlinear Raman probe of single molecules attached to colloidal silver and cold cluster / Kneipp K. and Kneipp H./ Springer Berlin, 2002. 347 p.

64. Maley J. Spontaneous Ag-Nanoparticle growth at single-walled carbon nanotube defect sites: A tool of in situ generation of SERS Subtrate / J. Maley, G. Achatte, J. Yang and R. Sammynaiken // Journal of Nanotechnology. 2011. - Article ID 408151.- 7p.

65. Shuming N. Probing Single Molecules and Single Nanoparticles by Surface-Enhanced Raman Scattering / N. Shuming and S.R. Emory // Science. 1997. -V.275. -P.l 102-1106.

66. Adu K. W. Probing phonon in nonpolar semiconducting nanowires with Raman spectroscopy / K.W. Adu, M.D. Williams, M. Reber, R. Jayasingha, H.R. Gutierrez and G.U. Sumanasekera // Journal of Nanotechnology. 2012. - Article ID 264198. - 18 p.

67. Duesberg G.S. Polarized Raman Spectroscopy on Isolated Single-Wall Carbon Nanotubes / G.S. Duesberg, I. Loa, M. Bueghard, K. Syassen and S. Roth // Physical Review Letters. 2000. - V.85. - № 25. - P.5436-5439.

68. Thomson C. Raman scattering in carbon nanotubes / C. Thomson and S. Reich // Topics in Applied Physics. 2007. - V. 108. - P.l 15-232.

69. Dresselhaus M.S. Raman spectroscopy on isolated single wall carbon nanotubes / M.S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, A. Jorio, A.G. Souza Filho and R. Saito // Carbon. 2002. - V.40. - P. 2043-2061.

70. Jorio A. Structural (n,m) Determination of Isolated Single-Wall Carbon Nanotubes by Resonant Raman Scattering / A. Jorio, R. Saito, J.H. Hafner, C.M. Lieber, M. Hunter, T. McClure, G. Dresselhaus and M.S. Dresselhaus // Physical

71. Review Letters. 2001. - V.86. - № 6. - P. 1118-1121.168

72. Dresselhaus M.S. Unusual Properties and Structure of Carbon Nanotubes /M.S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, and A. Jorio // Annu. Rev. Mater. Res. 2004. -V.34. - P.247-278.

73. Graupner R. Raman spectroscopy of covalently functionalized single-wall carbon nanotubes / R. Graupner // J. Raman Spectroscopy. 2007. - V.38. - P.673-683.

74. Dresselhaus M.S. Raman spectroscopy of carbon nanotubes / M.S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, R. Saito and A. Jorio // Physical Reports. 2005. - V.409. - P.44-99.

75. Hyungbin Son. Raman spectroscopy of single wall carbon nanotubes / H. Son / Thesis. Cand. of Tech. Sci.: Massachusetts Institute of Technology, 2008. 76 p.

76. Gruneis Alexander. Resonance Raman spectroscopy of single wall carbon nanotubes / A. Gruneis / Thesis. Cand. of Tech. Sci.: Tohoku University, 2004. -128 p.

77. Costa S. Characterization of carbon nanotubes by Raman spectroscopy / S. Costa, E. Borowiak-Palen, M. Kruszynska, M. Bachmatiuk and R.G. Kalenczuk // Materials Science-Poland. 2008. - V.26. - № 2. - P.433-441.

78. Mews A. Raman Imaging of Single Carbon Nanotubes / A. Mews, F. Koberling, T. Basche, P. Guenther, G.S. Duesberg, S. Roth and M. Burghard // Advanced Materials. 2000. -V.12. -No.16. -P.1210-1214.

79. Antunes E.F. Influence of Diameter in the Raman Spectra of Aligned Multi-walled Carbon Nanotubes / E.F. Antunes, A.O. Lobo, E.J. Corat, and V.J. Trava-Airoldi // Carbon. 2007. - V.45. - P.913-921.

80. Zhao X. Characteristic Raman spectra of multi-walled carbon nanotubes / X. Zhao, Y. Ando, L.-C. Qin, H. Kataura, Y. Maniwa and R. Saito // Physica B. -2002. -V.323. P. 265-266.

81. Richa S. Characterization of single-walled carbon nanotubes by Raman Spectroscopy / S. Richa and R.B. Andrew // Connexions module. 2009. -m22925-1.2.

82. Zhao J. Diameter-dependent combination modes in individual single-walled carbon nanotubes / J. Zhao, C. Jiang, Y. Fan, M. Burghard, T. Basche and A. Mews // Nano Lettres. 2002. - V.2. - № 8. - P.823-826.

83. Saito R. Chirality-dependent G-band Raman intensity of carbon nanotubes / R. Saito, Jorio A., J.H. Hafner, C.M. Lieber, M. Hunter, T. McClure, G. Dresselhaus and M.S. Dresselhaus // Physical Review B. 2001. - V.64. № 8. - P.085312(4).

84. Miyata Y. Purity and Defect Characterization of Single-Wall Carbon Nanotubes Using Raman Spectroscopy / Y. Miyata, K. Mizuno and H. Kataura // Journal of Nanomaterials. 2011. - Article ID 786763. - 7 p.

85. Thomsen C. Double Resonant Raman Scattering in Graphite / C. Thomsen and S. Reich // Physical Review Letters. 2000. - V.85. - № 24. - P.5214-5217.

86. Dong Y.K. Characterization of thin multi-walled carbon nanotubes synthesized by catalytic CVD / Y.K. Dong, C.-M. Yang, S.P. Young, K.K. Kang, Y.J. Seung, H.H. Jong and H.L. Young // Chemical Physics Letters. 2005. - V.413. - P.135-141.

87. Liu Q. Semiconducting properties of cup-stacked carbon nanotubes / Q. Liu, W. Ren, Z.-G. Chen, L. Yin, L. Feng, H. Cong and H.-M. Cheng // Carbon. 2009. -V.47. - P.731-736.

88. Doom S.K. Raman Spectroscopy and Imaging of Ultralong Carbon Nanotubes / S.K. Doom, L. Zheng, M.J. O'Connell, Y. Zhu, S. Huang and J. Liu // J. of Physical Chemistry B. 2005. - V.109. - P.3751-3758.

89. Rashid Zaare-Nahandi. Some Infinite Classes of Fullerene Graphs // International Mathematecal Forum. 2006. -V.l. - № 40. - P. 1997-2002

90. Kuzmany H. Raman Spectroscopy of Fullerenes and Fullerene-Nanotube Composites / H. Kuzmany, R. Pfeiffer, M. Hulman and C. Kramberger // Phil. Trans. R. Soc. Lond. A. 2004. - V.362. - P.2375-2406.

91. Simon F. Fullerene releas from the inside of carbon nanotubes / F. Simon, H. Peterlik, R. Pfeiffer, J. Bernardi and H. Kuzmany // Chemical Physics Letters. -2007. V.445. - P.288-292.

92. Елецкий А.Б. Фуллерены и Структуры Углерода / А.Б. Елецкий и Б.М. Смирнов // Успехи Физических Наук. 1995. - Т.165. - № 9. С.15-19.

93. Gunnarsson О. Superconductivity in Fullerides / О. Gunnarsson // J. of Rev. Mod. Phys. 1997. - V.69. - P.575-579.

94. Мак А.А. Преобразование солнечной энергии в лазерное излучение с использованием фуллерен-кислород-йодного лазера с солнечной накачкой /

95. A.А. Мак, И.М. Белоусова, В.М. Киселев, А.С. Гренишин, О.Б. Данилов и Е.Н. Соснов // Оптический журнал. 2009. - Т.76. - № 4. - с.4-8.

96. Белоусова И.М. Твердофазные фотосенсибилизаторы на основе фуллерена С6о для фотодинамической инактивации вирусов в биологических жидкостях / И.М. Белоусова, О.Б. Данилов, Т.Д. Муравьева, И.М. Кисляков,

97. B.В. Рыльков, Т.К. Крисько, О.И. Киселев, В.В. Зарубаев, А.К. Сироткин и Л.Б. Пиотровский // Оптический журнал. 2009. Т.76. - № 4. - с.97-100.

98. Захарова И.Б. Нелинейные оптические свойства фуллерен-порфириновых комплексов / И.Б. Захарова, О.Е. Квятковский, Г.М. Ермолаева, Н.Г. Спицына и В.Б. Шилов // Оптический журнал. 2010. - Т.77. - № 01. - с.3-6.

99. Kal Renganathan Sharma. Nanostructuring Operations in Nanoscale Science and Engineering / K.R. Sharma / Mcgraw-Hill Companies, 2010. 305 p.

100. Hugh E. Pier son. Handbook of Carbon, Graphite, diamond and Fullerenes /

101. E.P. Hugh / Noyes Publications, 1993. 417 p.172

102. Eldelstein A.S. Nanomaterials: Synthesis, Property and Applications / A.S. Eldelstein and R.C. Cammarata / Institute of Physics Publishing Bristol and Philadelphia, 1998.-687 p.

103. Peng X. G. Kinetics of II-VI and III-V Colloidal Semiconductor Nanocrystal Growth: Focusing of Size Distribution / X.G. Peng, J. Wikham and A.P. Alivisator // J. Am. Chem. Soc. 1998. - V.120. № 21. - P.5343-5345.

104. Wang Y. PbS in Polymer: from molecules to bulk solids / Y. Wang, A. Suna, W. Mahler and R. Kasowski // J. of Chemical Physics. 1987. - V.87. - P.7315-7323.

105. Bawendi M.G. X-Ray structural characterization of larger CdSe semiconductor clusters / M.G. Bawendi, A.R. Kortan, M.L. Steigerwald and L.E. Brus // J. of Chemical Physics. 1989. - V.91. - P.7282-7290.

106. Taylor A. X-Ray Metallography / Wiley, New York, 1961. 674 p.

107. Rao C.N.R. Nanocrystals: Synthesis, Properly and Applications / C.N.R. Rao, P.J. Thomas and G.U. Kulkarni / Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2007. -187 p.

108. Klimov V.I. Nanocrystals Quantum Dots / V.I. Klimov / CRC Press, 2-ed, 2010.-460 p.

109. Олейников В.А. Флуоресцентные полупроводниковые квантовые точки / В. А. Олейников, А.В. Суханова и И.Р. Набиев // Российские Нанотехнологии. 2007. Том 2. - №1-2. - с.160-173.

110. Peng Z.A. Formation of High-Quality CdTe, CdSe and CdS Nanocrystals Using CdO as Precursor / Z.A. Peng and X.G. Peng // Journal of the American Chemical Society. 2001. - V. 123. - №1. - P. 183-184.

111. Yu W. W. Experimental Determination of the Extinction Coefficient of CdTe, CdSe, and CdS Nanocrystals / W.W. Yu, L. Qu, W. Guo and X. Peng // Chemistry of Materials. 2003. - V.15. - №14. - P. 2854-2860.

112. Weber Alexander. Intraband Spectroscopy of Semiconductor Quantum Dots / A. Weber / thesis. Cand. of tech. sci.: Institut d'Electronique fundamentale, Orsay, 1998. 77 p.

113. Fei X. Synthesis, Spectral Characterization of CdTe/CdS Core/Shell Quantum Dots and carbazole Abutment Cyanine Dye / X. Fei, X. Yang, Y. Liu, X. Wang and C. Li // Chalcogenide Letters. 2011. - V.8. - № 8. - P.499-504.

114. Milekhin A. Raman Study of Atomic Intermixing in InAs/AlAs Quantum Dots / A. Milekhin, A. Toropov, A. Kalagin and D.R.T. Zahn // Chinese Journal of Physics. 2011. -V.49. -№ 1. -P.71-76.

115. Balandin A. Raman spectroscopy of electrochemically self-assembled CdS quantum dots / A. Balandin, K.L. Wang, N. Kouklin and S. Bandyopadhyay // Applied Physics Letters. 2000. - V.76. - № 2. - P. 137-139.

116. Lin W.-C. Size dependence of nanoparticle-SERS enhancement from silver film over nanospher (AgFON) substrate / W.-C. Lin, L.-S. Liao, Y.-H. Chen, H.-C. Chang, D.P. Tsai and H.-P. Chiang // J. of Plasmonics. 2010. - V.9. - P. 188.

117. Wang C. Electrochromic Nanocrystal of Quantum Dots / C. Wang, M. Shim and P. Guyot-sionnest // Science. 2001. - V.291. - P.2390-2392.

118. Dongre S.D. The Role of Nanotechnology in Molecular Imaging by using fluorescent Quantum Dots / S.D. Dongre and S. Sankaye // Internet Journal of Medical Update. 2011. - V.6. - № 1. - P.34-36.174

119. Poitras C.B. Photo-luminescence enhancement of colloidal quantum dots embedded in monolithic microcavity / C.B. Poitras, M. Lipson, D. Hui, M.A. Hahn and T.D. Krauss // Applied Physics Letters. 2003. - V.82. - № 23. - P.4032(3).

120. Li X. Computing with Quantum Dots / X. Li, D. Steel, D. Gammon and L.J. Sham // Optics & Photonic News. 2004. - V.9. - P.38-43.

121. Hines M.A. Synthesis and Characterization of Strongly Luminescing ZnS-Capped CdSe Nanocrystals // J. Physical Chemistry B. 1996. - V.100. - P.468-472.

122. Rajesh M. Effect of antimony on the Photoluminescence intensity of InAs Quantum Dots / M. Rajesh, S. Faure, M. Nishioka, E. Augendre, L. Clavelier, D. Guimard and Y. Arakawa // Applied Physics Express. 2011. - V.4. -P.045201(3).

123. Brar Jamie. Photoluminescence Spectroscopy of CdSe/CdZnS Core/Shell Colloidal Quantum Dots / Brar Jamie / thesis. Cand. of tech. sci.: University of Ottawa, 2011,- 128 p.

124. Micic O.I. Size-Dependent Spectroscopy of InP Quantum Dots / O.I. Micic, H.M. Cheong, H. Fu, A. Zunger, J.R. Sprague, A. Maskarenhas and A.J. Nozik // J. of Physical Chemistry B. 1997. - V.101. - P.4904-4912.

125. Joshua J.A. Synthesis and Characterization of CdSe/ZnS Core/Shell Quantum Dots for Increased Quantum yield/ J.A. Joshua / thesis. Cand. of tech. sci.: California Polytechnic State University, 2011. 128 p.

126. Jarimaviciute R. Photoluminescence Properties of CdSe/ZnS Quantum Dots / R. Jarimaviciute, J. Waluk and I. Procysevas // Materials Science. 2011. - V. 17. - № 3. - P.232-235.

127. Vega Macotela L.G. Radiative interface state study in CdSe/ZnS quantum dots covered by polymer / L.G. Vega Macotela, T.V. Torchynska, J. Douda, R. Pena Sierra and L. Shcherbyna // Materials Science and Engineering B. 2011. -V.176. - P.1349-1352.

128. Dziatkowski K. CdSe/ZnS Colloidal Quantum Dots with Alloyed Core/Shell Interface: a Photoluminescence Dynamic Study / K. Dziatkowski, D. Ratchford, T. Hartsfield, X. Li, Y. Gao and Z. Tang // ACTA Physica Polonica A. 2011. -V.120. - № 5. - P.870-873.

129. MichaletX. Quantum Dots for Live Cells, In Vivo Imaging, and Diagnostics / X. Michalet, F.F. Pinaud, L.A. Bentolila, J.M. Tsay, S. Doose, J.J. Li, G. Sundaresan, A.M. Wu, S.S. Gambhir and S. Weiss // Science. 2005. -V.307(5709). - P.538-544.

130. Ushasi D. Quantum Dots: An Optimistic Approach to Novel Therapeutics / D. Ushasi and S. Mukherjee // International Journal of Pharmaceutical Sciences Review and Research. 2011. - V.7. - Issue 2. - P.59-64.

131. Medintz I.L. Quantum Dots Bioconjugates for Imaging, Labelling and Sensing / I.L. Medintz, T.H. Uyeda, E.R. Goldman and H. Mattoussi // Nature Materials. 2005. - V.4. - P.435-446.

132. Bruchez M. Semiconductor Nanocrystals as Fluorescent Biological Labels / M. Bruchez, Jr.M. Moronne, P. Gin, S. Weiss and A.P. Alivisator // Science. -1998. V.281. - P.2013-2016.

133. Fan S.Q. Highly Efficient CdSe Quantum-dot-sensitized Ti02 Photoelectrodes for Solar Cell Apllications / S.Q. Fan, D. Kim, J.J. Kim, D.W. Jung, O.S. Kang and J. Ko // Electrochemistry Communications. 2009. - V.l 1. -P. 1337-1339.

134. Reiss P. Low Polydispersity Core/shell Nanocrystals of CdSe/ZnSe and CdSe/ZnSe/ZnS Type: Preparation and Optical Studies / P. Reiss, S. Carayon, J. Bleuse and A. Pron // Synthetic Metals. 2003. - V.139. - P.649-652.

135. Chen J. An Oleic Acid-capped CdSe Quantum-dot Sensitized Solar Cell / J. Chen, J.L. Song, X.W. Sun, W.Q. Deng, C.Y. Jiang, W. Lei, J.H. Huang and R.S. Liu // Applied Physics Letters. 2009. - V.94. - P. 153115(2).

136. Дворецкий С.А. Наноструктуры на основе CdHgTe для фотоприемников / С.А. Дворецкий, З.Д. Квон, Н.Н. Михайлов, В.А. Швец, Б. Виттман, С.Н. Данилов, С.Д. Ганичев, A.J1. Асеев // Оптический журнал. 2009. - Том 76. -№ 12. - с.69-73.

137. RandolfW. Knoss. Quantum Dots: Research, Technology and Applications / R.W. Knoss / Nova Science Publisher Inc, New York, 2009. 708 p.

138. Беляков Ю.М. Спектральные приборы / Ю.М. Беляков и Н.К. Павлычева / Изд-во Казан. Гос. Техн. Ун-та, 2007 г. 204 с.

139. Пейсахсон И.В. Оптика Спектральных приборов / И.В. Пейсахсон / Изд-во Мшиностроение, 2-е изд. - СБП. - 1975 г. - 312 с.

140. Joseph R. Lakowicz. Princeples of Fluorescence Spectroscopy / Springer Science + Businesse Media LLC., 3-ed., 2006. 938 p.

141. Kuzmany Hans. Solid-State Spectroscopy / Springer-Verlag, Hiedelberg Berlin, 2-ed, 2009. 550 p.

142. Horiba company. URL: http://www.horiba.com/scientific/products/raman-spectroscopy/raman-systems/

143. Gauglitz G. Handbook of Spectroscopy / G. Gauglitz and T. Vo-Dinh / WILEY-VCH Verlag GmbH, 2003. 1156 p.

144. Spectral products company, spectrometers. URL: http://www.spectral products, com/catalog/default.php?cPath=l/Spectrometers.html

145. Hamamatsu company. URL: http://sales.hamamatsu.com/en/products/solid-state-division/mini-spectrometers.php?src=hp

146. Perkin elmer company. URL: http://www.perkinelmer.com/Catalog/Family/ ID/Raman- Spectrometers

147. B&Tek company. URL: http://www.bwtek.com/nanoram/

148. Coppinger R. Portable spectroscopy: Spectroscopy everywhere anytime / R. Coppinger // Electro Optics, 2012. V.223. - P.24-27.

149. Christopher Palmer. Diffration Grating Handbook / Newport Corporation, 2005.-271 p.

150. Horiba company. New Grating Catalogue / Horiba Jobin Yvon company, 2011.-44 p.

151. Хасан M. Наноматериалы и особенности их спектров / М. Хасан // II-Всероссийская межвузовская научная конференция «Наука и образование в развитии промышленности». Муром, 2010. - Т.5. - С.186-188.

152. Нагулин Ю.С. Методы расчета оптических схем спектрографов с неклассическими решетками / Ю.С. Нагулин и Н.К. Павлычева // Всесоюзный семинар по теории и расчету оптических систем. СПб, 1983. -С.171-175.

153. Павлычева Н.К. Спектральные приборы с неклассическими дифракционными решетками / Н.К. Павлычева / Изд-во Казан, гос. техн. унта. Казань, 2003. - 197 с.

154. Passeran G. Spectrograph a champ plan pour une domaine spectral etendu, utilisant un reseau holographique concave II Patent, France. 1977. - № 2334947 MKN. - G 01J3/18.

155. Boittler N.H. Theory of concave diffraction grating II Journal of Optical Sosiety of America. 1945. - V.35. - P.311.

156. Nada H. Geometric Theory of diffraction grating / H. Nada, T. Namioka and M. Seya II Journal of Optical Sosiety of America. 1974. - V.64. - № 8. - P. 1031-1042.

157. Nada H. Design of holographie concave grating for Seya-Namioka monochromators / H. Nada, T. Namioka and M. Seya // Journal of Optical Sosiety of America. 1974. - V.64. - № 8. - P.1043-1048.

158. Nazmeev M.M. New Generations of Flat-field Spectrographs / M.M. Nazmeev, N.K. Pavlycheva // Optical Engineering. 1994. - V.33. - P.2777-2782.178

159. Белокопытов A.A. Методика расчета и технология изготовления вогнутых голограммных дифракционных решеток, записанных негомоцентрическими пучками / A.A. Белокопытов / Дис. Канд. Тех. Наук: КНИТУ-КАИ, 2010. с. 164.

160. Хасан М. Исследование аналитических возможностей спектрофотометра UV 2550 / М. Хасан // XVIII Международная молодежная научная конференция «Туполевские чтения». Казань, 2010. - Т.5. - С.5-7.

161. Determination of carbon nanotube in solution using UV-VIS-NIR spectroscopy // Shimadzu company, Application Note. URL: http://www.shimadzu.com/appli/index.html.

162. Krueger A. Carbon Materials and Nanotechnology / A. Krueger / WILEY-VCH Verlag GmbH & Co KGaA Weinheim, 2010.-491 p.

163. Хасан M. Спектроскопия углеродных наноматериалов / M. Хасан, Т.А. Филюнина // Вестник КНИТУ-КАИ. 2011. - № 3. - С. 137-140.

164. Хасан М. Исследование спектра углеродных наноматериалов / М. Хасан // XIV Международная молодежная научная конференция «Туполевские чтения». Казань, 2011. - Т.5. - С.20-21.

165. Лукина Т.А. Голограммные узкополосные фильтры для подавления лазерного излучения одновременно на нескольких длинах волн / Т.А. Лукина и А.Ф. Скочилов // Оптический журнал. 1999. - Т.66. - № 12. - С.84-87.

166. Лукин A.B. Голограммные оптические элементы / A.B. Лукин // Оптический журнал. 2007. - Т.74. - № 1. - С.80-87.

167. Павлычева Н.К. Спектрограф для исследования спектра углеродных нанотрубок / Н.К. Павлычева, И.Г. Вендеревская и М. Хасан // IX международная конференция «Прикладная оптика». Санкт-Петерпург, 2010. -Т.1.-Ч.1 - С.191-194.

168. Павлычева Н.К. Малогабаритный спектрометр широкого применения / Н.К. Павлычева, А.А. Пеплов и А.П. Дёмин // Оптический журнал. 2007. -Т.74. - № 3. - С.29-32.

169. Хасан М. Спектральные особенности углеродных нанотрубок / М. Хасан, Т.А. Филюнина // Международная конференция «нанотехнология в промышленности». Казань, 2010. - Т. 1. - С.49-51.

170. Павлычева Н.К. Спектрограф для исследования рамановского рассеяния в углеродных нанотрубках / Н.К. Павлычева, М. Хасан // Оптический журнал. 2012. - Т.79. - № 3. - С.47-50.

171. Pavlycheva N.K. Portable spectrographs for investigating nanomaterials / N.K. Pavlycheva and M. Hassan // Journal of Materials Science and Engineering A.- 2012. Vol.2. - №.3. - P.334-340.

172. Spectral products company: detectors. URL: http://www. spectral-products.com/catalog/default.php?cPath=46/Detectors.html

173. Hamamatsu company. URL: http://sales.hamamatsu.com/en/products/solid-state-division/mini-spectrometers/detectors-types.php

174. Astrosurf company : detectors. URL: http://astrosurf.com/re/chip.html

175. Horiba company. URL: http://www.horiba.com/scientific/products/optical-spectroscopy/detectors/single-channel/

176. Павлычева Н.К. Спектрограф для исследования квантовых точек CdSe / Н.К. Павлычева, М. Хасан // Оптический Журнал. 2010. - Т. 77. - № 12.- С. 3-5.оДЛ180