ntvНаучно-технический вестник информационных технологий, механики и оптикиScientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics2226-14942500-0373Университет ИТМО10.17586/2226-1494-2024-24-5-717-725ntv-137Research ArticleОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИOPTICAL ENGINEERINGИзменение оптических свойств поверхности серебра за счет лазерного структурированияChange of optical properties of silver surface due to laser structuringhttps://orcid.org/0000-0003-2329-1288МорозоваА. А.MorozovaA. A.

Морозова Анастасия Алексеевна - студент, инженер

Санкт-Петербург, 197101

Anastasia A. Morozova - Student, Engineer

Saint Petersburg, 197101

aamorozova@itmo.ruhttps://orcid.org/0009-0001-8520-5579КапустинаУ. А.KapustinaU. A.

Капустина Ульяна Александровна - студент

Санкт-Петербург, 197101

Ulyana A. Kapustina - Student

Saint Petersburg, 197101

kapustinaulya@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3741-5819ЛутошинаД. С.LutoshinaD. S.

Лутошина Дарья Сергеевна - инженер

Санкт-Петербург, 197101

Daria S. Lutoshina - Engineer

Saint Petersburg, 197101

ld3282@itmo.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9581-4290РомановаГ. В.RomanovaG. V.

Романова Галина Викторовна - кандидат технических наук, директор института лазерных технологий

Санкт-Петербург, 197101

Galina V. Romanova - PhD, Director of the Laser Technologies Institute

Saint Petersburg, 197101

gvromanova@itmo.ruУниверситет ИТМОРоссияITMO UniversityRussian Federation202413122024245717725Copyright © Морозова А.А., Капустина У.А., Лутошина Д.С., Романова Г.В., 20242024Морозова А.А., Капустина У.А., Лутошина Д.С., Романова Г.В.Morozova A.A., Kapustina U.A., Lutoshina D.S., Romanova G.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ntv.elpub.ru/jour/article/view/137

Введение. Одной из главных задач ювелирной промышленности является придание эстетичного и художественного вида изделию. Это может достигаться путем изменения его цвета. Перспективным способом окрашивания драгоценных металлов является одноэтапный лазерный метод формирования наноструктур с плазмонными свойствами. Однако сегодня остается нерешенной проблема недостаточного понимания механизма формирования цветных покрытий. Поверхностные структуры обычно рассматриваются как набор отдельных сферических наночастиц. Для полного понимания происходящих физико-химических процессов необходимо рассматривать наночастицы в совокупности как агломераты наночастиц на поверхности.Методы и материалы. Для исследования выбран плоскопараллельный образец серебра 999,9 ювелирной пробы. Обработка поверхности серебра проводилась с помощью лазерного комплекса на базе иттербиевого волоконного лазера (ООО «Лазерный Центр», Санкт-Петербург, Россия) с наносекундной длительностью импульсов методом построчного сканирования по одной и двум осям сфокусированным лазерным пучком диаметром d0 = 50 мкм. Для характеризации поверхности серебра до и после лазерного воздействия использованы оптическая и сканирующая электронная микроскопии.Основные результаты. Исследовано влияние энергии в импульсе и частоты следования импульсов на оптические свойства поверхности серебра. Продемонстрирован процесс генерирования лазерно-модифицированных поверхностных наноструктур, характер их изменения при переходе от сканирования по одной оси к построчному сканированию. Показано, что изменение рельефа поверхности наблюдается и вне непосредственной зоны обработки. Отмечено неравномерное распределение наноструктурных элементов по поверхности обрабатываемой области, что приводит к неравномерности наблюдаемого цвета поверхности на микроуровне.Обсуждение. На основании анализа полученных данных предложена гипотеза формирования наноструктур. При воздействии лазерного излучения на поверхности серебра изначально формируются отдельные наночастицы шарообразной формы. Далее при увеличении температуры концентрация наночастиц значительно возрастает, что приводит к их слиянию и образованию из агломерированных наночастиц некоторых кластеров неправильной формы. Полученные новые данные о процессе формирования поверхностных наноструктур позволяют расширить понимание происходящих процессов, а также показывают возможность применения метода прямого лазерного окрашивания серебра в ювелирной промышленности.

One of the main goals of jewelry is to give the product an aesthetic and artistic look. This can be achieved by changing its color. The promising methods of precious metal coloration is a one-step laser method of forming nanostructures with plasmonic properties. However, the lack of understanding of the mechanism of formation of color coatings remains an unresolved problem today. Surface structures are usually considered as a set of individual spherical nanoparticles. But to fully understand the physicochemical processes taking place, it is necessary to consider nanoparticles in aggregate as agglomerates of these nanoparticles on the surface. The silver samples of 99.99 % purity were selected for the study. Laser exposure was carried out in air using a system based on an ytterbium fiber laser with nanosecond pulse duration. The silver surface was processed by line-by-line scanning along one and two axes with a focused laser beam with the diameter d0 = 50 μm. Optical and scanning electron microscopy were used to characterize the silver surface before and after laser treatment. In this work, the effect of some laser exposure parameters, such as laser pulse energy and pulse repetition rate, on the optical properties of silver surface were investigated. The focus of this work is on generated laser-modified surface nanostructures and the character of their change when going from single axis scanning to line scanning. It is shown that surface topography changes are also observed in the region outside the immediate treatment zone. The uneven distribution of nanostructural elements on the surface of the treated area is registered, which causes the irregularity of the observed surface color at the microlevel. Based on the analysis of the obtained data, a hypothesis of nanostructure formation is proposed. Under laser exposure, individual spherical-shaped nanoparticles are initially formed on the silver surface. Then with increasing temperature their concentration increases significantly. This leads to their adhesion and formation of irregularly shaped clusters of agglomerated nanoparticles. The obtained new data on the process of formation of surface nanostructures allow us to expand the understanding of the ongoing processes, as well as to approach the integration of the method of direct laser coloring of silver in the jewelry industry.

лазерное окрашиваниеплазмонные наночастицы серебралазерная модификацияоптические характеристикиморфология поверхностиlaser colorationplasmonic silver nanoparticleslaser modificationoptical characteristicssurface morphologyРабота выполнена при поддержке программы «Приоритет 2030».This research was supported by the Priority 2030 Federal Academic Leadership Program.ReferencesKristensen A., Yang J.K.W., Bozhevolnyi S.I., Link S., Nordlander P., Halas N.J., Mortensen N.A. Plasmonic colour generation // Nature Reviews Materials. 2017. V. 2. N 1. P. 16088. https://doi.org/10.1038/natrevmats.2016.88Kristensen A., Yang J.K.W., Bozhevolnyi S.I., Link S., Nordlander P., Halas N.J., Mortensen N.A. Plasmonic colour generation. Nature Reviews Materials, 2017, vol. 2, no. 1, pp. 16088. https://doi.org/10.1038/natrevmats.2016.88Lee T., Jang J., Jeong H., Rho J. Plasmonic- and dielectric-based structural coloring: from fundamentals to practical applications // Nano Convergence. 2018. V. 5. N 1. P. 1. https://doi.org/10.1186/s40580-017-0133-yLee T., Jang J., Jeong H., Rho J. Plasmonic- and dielectric-based structural coloring: from fundamentals to practical applications. Nano Convergence, 2018, vol. 5, no. 1, pp. 1. https://doi.org/10.1186/s40580-017-0133-yDuempelmann L., Casari D., Luu-Dinh A., Gallinet B., Novotny L. Color rendering plasmonic aluminum substrates with angular symmetry // ACS Nano. 2015. V. 9. N 12. P. 12383–12391. https://doi.org/10.1021/acsnano.5b05710Duempelmann L., Casari D., Luu-Dinh A., Gallinet B., Novotny L. Color rendering plasmonic aluminum substrates with angular symmetry. ACS Nano, 2015, vol. 9, no. 12, pp. 12383–12391. https://doi.org/10.1021/acsnano.5b05710Tan S.J., Zhang L., Zhu D., Goh X.M., Wang Y.M., Kumar K., Qiu C.‑W., Yang J.K.W. Plasmonic color palettes for photorealistic printing with aluminum nanostructures // Nano Letters. 2014. V. 14. N 7. P. 4023–4029. https://doi.org/10.1021/nl501460xTan S.J., Zhang L., Zhu D., Goh X.M., Wang Y.M., Kumar K., Qiu C.‑W., Yang J.K.W. Plasmonic color palettes for photorealistic printing with aluminum nanostructures. Nano Letters, 2014, vol. 14, no. 7, pp. 4023–4029. https://doi.org/10.1021/nl501460xWang Y., Ren F., Ding T. Generation of high quality, uniform and stable plasmonic colorants via laser direct writing // Advanced Optical Materials. 2020. V. 8. N 12. P. 2000164. https://doi.org/10.1002/adom.202000164Wang Y., Ren F., Ding T. Generation of high quality, uniform and stable plasmonic colorants via laser direct writing. Advanced Optical Materials, 2020, vol. 8, no. 12, pp. 2000164. https://doi.org/10.1002/adom.202000164Guay J.M., Lesina A.C., Côté G., Charron M., Poitras D., Ramunno L., Berini P., Weck A. Laser-induced plasmonic colours on metals // Nature Communications. 2017. V. 8. N 1. P. 16095. https:// doi.org/10.1038/ncomms16095Guay J.M., Lesina A.C., Côté G., Charron M., Poitras D., Ramunno L., Berini P., Weck A. Laser-induced plasmonic colours on metals. Nature Communications, 2017, vol. 8, no. 1, pp. 16095. https://doi.org/10.1038/ncomms16095Cheng F., Gao J., Luk T.S., Yang X. Structural color printing based on plasmonic metasurfaces of perfect light absorption // Scientific Reports. 2015. V. 5. N 1. P. 11045. https://doi.org/10.1038/srep11045Cheng F., Gao J., Luk T.S., Yang X. Structural color printing based on plasmonic metasurfaces of perfect light absorption. Scientific Reports, 2015, vol. 5, no. 1, pp. 11045. https://doi.org/10.1038/srep11045Andreeva Y.M., Luong V.C., Lutoshina D.S., Medvedev O.S., Mikhailovskii V.Yu., Moskvin M.K., Odintsova G.V., Romanov V.V., Shchedrina N.N., Veiko V.P. Laser coloration of metals in visual art and design // Optical Materials Express. 2019. V. 9. N 3. P. 1310–1319. https://doi.org/10.1364/ome.9.001310Andreeva Y.M., Luong V.C., Lutoshina D.S., Medvedev O.S., Mikhailovskii V.Yu., Moskvin M.K., Odintsova G.V., Romanov V.V., Shchedrina N.N., Veiko V.P. Laser coloration of metals in visual art and design. Optical Materials Express, 2019, vol. 9, no. 3, pp. 1310–1319. https://doi.org/10.1364/ome.9.001310Odintsova G.V., Vlasova E.A., Andreeva Y.M., Moskvin M.K., Krivonosov A.S., Gorbunova E.V., Pankin D.V., Medvedev O.S., Sergeev M.M., Shchedrina N.N., Lutoshina D.S., Veiko V.P. Highresolution large-scale plasmonic laser color printing for jewelry applications // Optics Express. 2019. V. 27. N 3. P. 3672–3681. https://doi.org/10.1364/oe.27.003672Odintsova G.V., Vlasova E.A., Andreeva Y.M., Moskvin M.K., Krivonosov A.S., Gorbunova E.V., Pankin D.V., Medvedev O.S., Sergeev M.M., Shchedrina N.N., Lutoshina D.S., Veiko V.P. Highresolution large-scale plasmonic laser color printing for jewelry applications. Optics Express, 2019, vol. 27, no. 3, pp. 3672–3681. https://doi.org/10.1364/oe.27.003672Tillack M.S., Blair D.W., Harilal S.S. The effect of ionization on cluster formation in laser ablation plumes // Nanotechnology. 2004. V. 15. N 3. P. 390–403. https://doi.org/10.1088/0957-4484/15/3/028Tillack M.S., Blair D.W., Harilal S.S. The effect of ionization on cluster formation in laser ablation plumes. Nanotechnology, 2004, vol. 15, no. 3, pp. 390–403. https://doi.org/10.1088/0957-4484/15/3/028Boutinguiza M., Comesaña R., Lusquiños F., Riveiro A., del Val J., Pou J. Production of silver nanoparticles by laser ablation in open air // Applied Surface Science. 2015. V. 336. P. 108–111. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2014.09.193Boutinguiza M., Comesaña R., Lusquiños F., Riveiro A., del Val J., Pou J. Production of silver nanoparticles by laser ablation in open air. Applied Surface Science, 2015, vol. 336, pp. 108–111. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2014.09.193Olson J., Dominguez-Medina S., Hoggard A., Wang L.-Y., Chang W.‑S., Link S. Optical characterization of single plasmonic nanoparticles // Chemical Society Reviews. 2015. V. 44. N 1. P. 40–57. https://doi.org/10.1039/c4cs00131aOlson J., Dominguez-Medina S., Hoggard A., Wang L.-Y., Chang W.‑S., Link S. Optical characterization of single plasmonic nanoparticles. Chemical Society Reviews, 2015, vol. 44, no. 1, pp. 40–57. https://doi.org/10.1039/c4cs00131aBoken J., Khurana P., Thatai S., Kumar D., Prasad S. Plasmonic nanoparticles and their analytical applications: A review // Applied Spectroscopy Reviews. 2017. V. 52. N 9. P. 774–820. https://doi.org/10.1080/05704928.2017.1312427Boken J., Khurana P., Thatai S., Kumar D., Prasad S. Plasmonic nanoparticles and their analytical applications: A review. Applied Spectroscopy Reviews, 2017, vol. 52, no. 9, pp. 774–820. https://doi.org/10.1080/05704928.2017.1312427Tanabe I., Tatsuma T. Plasmonic manipulation of color and morphology of single silver nanospheres // Nano Letters. 2012. V. 12. N 10. P. 5418–5421. https://doi.org/10.1021/nl302919nTanabe I., Tatsuma T. Plasmonic manipulation of color and morphology of single silver nanospheres. Nano Letters, 2012, vol. 12, no. 10, pp. 5418–5421. https://doi.org/10.1021/nl302919nМа С., Чжэн К., Чэнь И. Свойства, применения и методы получения наносеребра // Международный студенческий научный вестник. 2018. № 6. С. 180.Ma X., Zheng K., Chen Y. Properties, applications and methods of obtaining nano-silver. Mezhdunarodnyj studencheskij nauchnyj vestnik, 2018, no. 6, pp. 180. (in Russian)Guay J.M., Walia J., Côté G., Poitras D., Variola F., Berini P., Weck A. Effect of ps-laser repetition rate on colour rendition, nanoparticle morphology and surface chemistry on silver // Optical Materials Express. 2019. V. 9. N 2. P. 457–468. https://doi.org/10.1364/ome.9.000457Guay J.M., Walia J., Côté G., Poitras D., Variola F., Berini P., Weck A. Effect of ps-laser repetition rate on colour rendition, nanoparticle morphology and surface chemistry on silver. Optical Materials Express, 2019, vol. 9, no. 2, pp. 457–468. https://doi.org/10.1364/ome.9.000457

The authors declare that there are no conflicts of interest present.