Спектрально-люминесцентные свойства серебряных кластеров Ag_1-5 в ионообменном слое силикатного стекла

Введение. В работе впервые показана селективность люминесценции молекулярных кластеров серебра в силикатном стекле, сформированных методом ионного обмена из солевого расплава, содержащего 0,1 % AgNO₃/99,9 % NaNO₃ мол.%.

Метод. В исследовании использованы коммерческие силикатные предметные стекла системы: SiO₂-Na₂O-K₂O-CaO-MgO-Al₂O₃ с примесями Fe₂O₃-SO₃. Молекулярные кластеры были получены методом низкотемпературного ионного обмена в расплаве 0,1 % AgNO₃/99,9 % NaNO₃ мол.% в течение 10 и 15 мин при температуре 320 °С.

Основные результаты. Исследованы люминесцентные свойства серебряных молекулярных кластеров в ионообменном слое предметных стекол. На спектрах люминесценции обнаружены полосы кластеров серебра различного размера (Ag_1–5). При этом кластеры Ag_1–3 возбуждаются излучением с более короткими длинами волн, а кластеры Ag_4–5 — только излучением дальнего ультрафиолетового диапазона и видимого диапазона с длиной волны до 500 нм. В процессе ионного обмена длительностью до 10 мин выявлено появление селективности люминесценции, которая возникает за счет присутствия в ионообменном слое малой концентрации кластеров различного размера Ag_1–5.

Обсуждение. Полученные результаты могут найти применение при разработке фоточувствительного элемента селективного детектора ультрафиолетового излучения.

1. Gy R. Ion exchange for glass strengthening // Materials Science and Engineering B: Solid-State Materials for Advanced Technology. 2008. V. 149. N 2. P. 159–165. https://doi.org/10.1016/j.mseb.2007.11.029

2. Guldiren D., Erdem İ., Aydin S. Influence of silver and potassium ion exchange on physical and mechanical properties of soda lime glass // Journal of Non-Crystalline Solids. 2016. V. 441. P. 1–9. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2016.03.007

3. Jiang X., Lin X., Li C., Pang M., Liu L., Yu Y., Wang Z., Luo Y., Lu A., Bai Z. Effect of potassium and silver ion-exchange on the strengthening effect and properties of aluminosilicate glass // Ceramics International. 2023. V. 49. N 19. P. 31351–31363. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2023.07.083

4. Fares H., Santos S.N.C., Santos M.V., Franco D.F., Souza A.E., Manzani D., Mendonça C.R., Nalin M. Highly luminescent silver nanocluster-doped fluorophosphate glasses for microfabrication of 3D waveguides // RSC Advances. 2017. V. 7. N 88. P. 55935–55944. https://doi.org/10.1039/c7ra11792b

5. de Castro T., Fares H., Khalil A.A., Laberdesque R., Petit Y., Strutinski C., Danto S., Jubera V., Ribeiro S.J.L., Nalin M., Cardinal T., Canioni L. Femtosecond laser micro-patterning of optical properties and functionalities in novel photosensitive silver-containing fluorophosphate glasses // Journal of Non-Crystalline Solids. 2019. V. 517. P. 51–56. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2019.04.012

6. Broquin J.-E., Honkanen S. Integrated photonics on glass: A review of the ion-exchange technology achievements // Applied Sciences. 2021. V. 11. N 10. P. 4472. https://doi.org/10.3390/app11104472

7. Gut K., Blahut M. Influence of ion exchange process parameters on broadband differential interference // Sensors. 2023. V. 23. N 13. P. 6092. https://doi.org/10.3390/s23136092

8. Dong X., Si Y., Yang J., Zhang C., Han Z., Luo P., Wang Z., Zang S., Mak T.C.W. Ligand engineering to achieve enhanced ratiometric oxygen sensing in a silver cluster-based metal-organic framework // Nature Communications. 2020. V. 11. N 1. P. 3678. https://doi.org/10.1038/s41467-020-17200-w

9. Qian S., Wang Z., Zuo Z., Wang X., Wang Q., Yuan X. Engineering luminescent metal nanoclusters for sensing applications // Coordination Chemistry Reviews. 2022. V. 451. P. 214268. https://doi.org/10.1016/j.ccr.2021.214268

10. Yanic M.C.Ö., Sarıgüzel M., Öztürk Y., Günay E. An investigation of nanometal-glass hybrid nanocomposites produced by ion exchange and annealing process // Journal of the Australian Ceramic Society. 2017. V. 53. N 1. P. 193–206. https://doi.org/10.1007/s41779-017-0025-y

11. Zhao J., Yang Z., Yu C., Qiu J., Song Z. Preparation of ultra-small molecule-like Ag nano-clusters in silicate glass based on ionexchange process: Energy transfer investigation from molecule-like Ag nano-clusters to Eu3+ ions // Chemical Engineering Journal. 2018. V. 341. P. 175–186. https://doi.org/10.1016/j.cej.2018.02.028

12. Li L., Yang Y., Zhou D., Yang Z., Xu X., Qiu J. Influence of the Eu2+ on the silver aggregates formation in Ag+–Na+ ion-exchanged Eu3+- doped sodium–aluminosilicate glasses // Journal of the American Ceramic Society. 2014. V. 97. N 4. P. 1110–1114. https://doi.org/10.1111/jace.12745

13. Li L., Yang Y., Zhou D., Yang Z., Xu X., Qiu J. Investigation of the role of silver species on spectroscopic features of Sm3+-activated sodium–aluminosilicate glasses via Ag+-Na+ ion exchange // Journal of Applied Physics. 2013. V. 113. N 19. P. 193103. https://doi.org/10.1063/1.4807313

14. Samuel A.B., Ravi Kanth Kumar V.V. Role of silver on the photoluminescence and structural studies of sodium antimony zinc borate glass // Journal of Materials Science. 2023. V. 58. N 26. P. 10660–10676. https://doi.org/10.1007/s10853-023-08684-0

15. Agafonova D.S., Egorov V.I., Ignat’ev A.I., Sidorov A.I. The effect of temperature on the luminescence of molecular clusters of silver in photothermorefractive glasses // Journal of Optical Technology. 2013. V. 80. N 8. P. 506–509. https://doi.org/10.1364/JOT.80.000506

16. Chernakov D.I., Sidorov A.I. UV radiation dosimeter with double spectral conversion // Optics and Spectroscopy. 2017. V. 122. N 3. P. 416–419. https://doi.org/10.1134/S0030400X17030067

17. Liu L., Corma A. Metal catalysts for heterogeneous catalysis: from single atoms to nanoclusters and nanoparticles // Chemical Reviews. 2018. V. 118. N 10. P. 4981–5079. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.7b00776

18. Manikandan P., Manikandan D., Manikandan E., Ferdinand C.A. Surface enhanced Raman scattering (SERS) of silver ions embedded nanocomposite glass // Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy. 2014. V. 124. P. 203–207. https://doi.org/10.1016/j.saa.2014.01.033

19. Eremina O.E., Sergeeva E.A., Ferree M.V., Shekhovtsova T.N., Goodilin E.A., Veselova I.A. Dual-purpose SERS sensor for selective determination of polycyclic aromatic compounds via electron donor− acceptor traps // ACS Sensors. 2021. V. 6. N 3. P. 1057–1066. https://doi.org/10.1021/acssensors.0c02294

20. Velázquez J.J., Tikhomirov V.K., Chibotaru L.F., Cuong N.T., Kuznetsov A.S., Rodríguez V.D., Nguyen M.T., Moshchalkov V.V. Energy level diagram and kinetics of luminescence of Ag nanoclusters dispersed in a glass host // Optics Express. 2012. V. 20. N 12. P. 13582–13591. https://doi.org/10.1364/OE.20.013582

21. Amaro A.A., da Silva Mattos G.R., de Morais Nishimura M.V., Dipold J., Wetter N.U., Kassab L.R.P. Silver nanoclusters tunable visible emission and energy transfer to Yb3+ ions in co-doped GeO2- PbO glasses for photonic applications // Nanomaterials. 2023. V. 13. N 7. P. 1177. https://doi.org/10.3390/nano13071177

22. Stolyarchuk M.V., Sidorov A.I. Electronic absorption spectra of neutral and charged silver molecular clusters // Optics and Spectroscopy. 2018. V. 125. N 3. P. 305–310. https://doi.org/10.1134/S0030400X18090229