Ukrainian Journal of Physical Optics


2026 Volume 27, Issue 1


ISSN 1816-2002 (Online), ISSN 1609-1833 (Print)

OPTICAL AND MORPHOLOGICAL FEATURES OF SILVER SPECIES FORMED IN LiB3O5:Ag GLASS BY THERMAL AND LASER TREATMENT

V.T. Adamiv, Ya.V. Burak, I.M. Teslyuk, R.V. Gamernyk, V.I. Horchynskyi and O.M. Yaremko

Author Information
1,*V.T. Adamiv ORCID logo SCOPUS logo, 1Ya.V. Burak ORCID logo SCOPUS logo, 1I.M. Teslyuk ORCID logo SCOPUS logo, 2R.V. Gamernyk ORCID logo SCOPUS logo, 3V.I. Horchynskyi ORCID logo SCOPUS logo, 3O.M. Yaremko ORCID logo SCOPUS logo
1O.G. Vlokh Institute of Physical Optics, Ivan Franko National University of Lviv, 23 Dragomanov St., Lviv, 79005, Ukraine
2Department of Experimental Physics, Ivan Franko National University of Lviv, 8 Kyryla and Methodiya St., 79005, Lviv, Ukraine
3National University “Lviv Polytechnic”, 12 Stepan Bandera St., Lviv, 79013, Ukraine
*Corresponding author: adamiv@ifo.lviv.ua

ABSTRACT

The morphology and optical properties of Ag nanoparticles (Ag NPs) in LiB3O5:Ag (0.1 mol.%) glass samples formed by thermal annealing in air and vacuum, as well as under the influence of high-power laser radiation, were studied. It was found that most Ag NPs formed by thermal annealing in air have an almost spherical shape with Ranging from 20 to 100 nm, and a significant part of the surface of the samples annealed in vacuum is covered with Ag NPs that are highly distorted relative to a spherical shape, with sizes between 100 and 200 nm, and are in electrical contact with each other. Lorentzian decomposition of the recorded absorption spectra revealed three component absorption bands—at 241 nm, 367 nm, and 426 nm—of which only the band at 426 nm is associated with the plasmon resonance of Ag NPs located in the near-surface layer of the sample; the other two bands at 241 nm and 367 nm are related to Ag+ ions and Ag2+ aggregates in the bulk of the glass. After treatment with laser radiation at λ = 405 nm and a power of 1.0 W, the surface of the glass sample is covered with a non-continuous film of metallic Ag, over which lamellar dendrites with a width of 100–240 nm and a length of 1–5 μm are observed. In the absorption spectrum, bands at 368 nm and 820 nm caused by surface plasmon resonance are recorded, with the first band representing the non-continuous Ag film, while the second is most likely associated with dendrites of metallic Ag.

Keywords: borate glasses, Ag nanoparticles, plasmon resonance, LiB3O5:Ag

UDC: 535.8, 538.9

    1. Markel, V. A., Poliakov, E. Y., & Shalaev, V. M. (1996). Small-particle composites. II. Nonlinear optical properties. Phys. Rev., B53, 2437-2449.
      doi:10.1103/PhysRevB.53.2437
    2. Shalaev, V. M. (1996). Electromagnetic properties of small-particle composites. Phys. Rep., 272, 61.
      doi:10.1016/0370-1573(95)00076-3
    3. Blanco, L. A., & Garcia de Abajo, F. J. (2004). Spontaneous emission enhancement near nanoparticles. J. Quant. Spectr. Rad. Transf., 89, 37-42.
      doi:10.1016/j.jqsrt.2004.05.009
    4. Nedyalkov, N., Koleva, M. E., Nikov, R. G., Stankova, N. E., Iordanova, E., Yankov, G., Aleksandrov, L., & Iordanova, R. (2019). Tuning optical properties of noble metal nanoparticle-composed glasses by laser radiation. Appl. Surf. Sci., 463, 968-975.
      doi:10.1016/j.apsusc.2018.09.024
    5. Watzky, M. A., & Ethridge, A. J. (2025). Growth-Based Analyte and Bioanalyte Sensing Applications Using Noble Metal Nanoparticles: Effect of Nanoparticle Growth on the Localized Surface Plasmon Resonance Signal. Anal. Sens., 5(4), e202400076.
      doi:10.1002/anse.202400076
    6. Garcia, M. A. (2011). Surface plasmons in metallic nanoparticles: fundamentals and applications. J. Phys. D: Appl. Phys., 28, 283001.
      doi:10.1088/0022-3727/44/28/283001
    7. Miller, M. E., & Shelby, J. E. (2010). Formation of cobalt nanocrystals in a borosilicate glass. Phys. Chem. Glasses: Eur. J. Glass Sci. Technol., B51, 100-106.
    8. Singla, S., Rajput, K., Kanjariya, P., Ravi, K., Anand, G., Kumar, N., Bansal, N. & Sharma, G. (2024). Structural, thermal, and optical properties of gold nanoparticle-doped bismuth borate glasses: effect of concentration. J. Mater. Sci.: Mater. Electron., 35(34), 2142.
      doi:10.1007/s10854-024-13899-1
    9. Red'kov, A. V. (2012). Formation of composite materials based on glasses containing a reductant. Phys. Solid State, 54, 1875.
      doi:10.1134/S1063783412090260
    10. Adamiv, V. T., Bolesta, I. M., Burak, Ya. V., Gamernyk, R. V., Karbovnyk, I. D., Kolych, I. I., Kovalchuk, M. G., Kushnir, O. O., Periv, M. V., & Teslyuk, I. M. (2014). Nonlinear optical properties of silver nanoparticles prepared in Ag doped borate glasses. Physica B, 449, 31-35.
      doi:10.1016/j.physb.2014.05.009
    11. Dutka, R. M., Adamiv, V. T., Burak, Ya. V., Gamernyk, R. V., & Teslyuk, I. M. (2015). Preparation and nonlinear optical properties of LiCaBO3-Ag2O and LiCaBO3-Gd2O3-Ag2O borate glasses with Ag nanoparticles. Phys. Status Solidi B, 252(12), 2745-2750.
      doi:10.1002/pssb.201552293
    12. Adamiv, V. T., Burak, Ya. V., Gamernyk, R. V., Dutka, R. M., & Teslyuk, I. M. (2014). Formation and Optical Properties of Ag Nanoparticles in CaB4O7-Ag2O and CaB4O7-Gd2O3-Ag2O Tetraborate Glasses. J. Nano- and Electronic Physics, 6, 04033(7pp).
    13. Adamiv, V. T., Burak, Ya. V., Gamernyk, R. V., Malynych, S. Z., Moroz, I. E., & Teslyuk, I. M. (2018). Optical nonlinearities in LiKB4O7-Ag2O and LiKB4O7-Ag2O-Gd2O3 glasses containing Ag nanoparticles, Appl. Opt., 57(17), 4802-4808.
      doi:10.1364/AO.57.004802
    14. Radaev, S., Muradyan, L., Malakhova, L., Burak, Ya., & Simonov, V. (1989). Atomic structure and electron density of lithium tetraborate Li2B4O7. Crystallogr. Reports, 34, 1400-1407.
    15. Ono, Y., Nakaya, M., Kajitani T., Sugawara, T., Watanabe, N., Shiraishi, H., & Komatsu, R. (2000). Lithium potassium borate and lithium rubidium borate: new non-linear optical crystals. Acta Cryst., C56, 1413-1415.
      doi:10.1107/S0108270100013445
    16. König, H., & Hoppe, R. (1978). Über Borati der Alkalimetalle. II. Zur Kenntnis von LiB3O5 [1]. Z. anorg. allg. Chem., 439, 71.
      doi:10.1002/zaac.19784390107
    17. Huppertz, H. (2003). β-CaB4O7: A New Polymorph Synthesized under High-Pressure/High-Temperature Conditions. Z. Naturforsch., 58b, 257-265.
      doi:10.1515/znb-2003-0403
    18. Sastry, B. S. R., & Hummel, F. A. (1958). Studies in Lithium Oxide Systems: I. Li2O, B2O3-B2O3. J. Am. Ceram. Soc., 41(1), 7-17.
      doi:10.1111/j.1151-2916.1958.tb13496.x
    19. Brant, A. T., Kananan, B. E., Murari, M. K., McClory, J. W., Petrosky, J. C., Adamiv, V. T., Burak, Ya. V., Dowben, P. A., & Halliburton, L. E. (2011). Electron and hole traps in Ag-doped lithium tetraborate (Li2B4O7) crystals. J. Appl. Phys, 110(9), 093719.
      doi:10.1063/1.3658264
    20. Adamiv, V. T., Burak, Ya. V., Girnyk, I. S., Kasperczyk, Ya., Kityk, I. V., & Teslyuk, I. M. (1997). The growth and properties of K- and Ag-doped Li2B4O7 single crystals. Functional Materials, 4(3), 415-418.
    21. Adamiv, V., Kushlyk, M., Dutchak, U., Burak, Ya., Teslyuk, I., Medvid, I., Koflyuk, I., & Luchechko, A. (2025). Radiophotoluminescence in the Tissue-Equivalent LiB3O5:Ag Glasses. Ukr. J. Phys. Opt., 26(2), 02089 - 02096.
      doi:10.3116/16091833/Ukr.J.Phys.Opt.2025.02089
    22. Fernández Navarro, J. M., Toudert, J., Rodríguez-Lazcano Y., Maté B., & Jiménez de Castro, M. (2013). Formation of sub-surface silver nanoparticles in silver-doped sodium-lead-germanate glass. Appl. Phys. B, 113, 205-213.
      doi:10.1007/s00340-013-5458-6
    23. Dmitruk, N. L., & Malinich, S. Z. (2014). Surface plasmon resonances and their manifestation in the optical properties of nanostructures of noble metals, Ukr. J. Phys, 9(1): Reviews, 3-37.
    24. Obraztsov, P. A., Nashchekin, A. V., Nikonorov, N. V., Sidorov, A. I., Panfilova, A. V., & Brunkov, P. N. (2013). Formation of silver nanoparticles on the silicate glass surface after ion exchange. Phys. Sol. State, 55(6), 1272-1278.
      doi:10.1134/S1063783413060267
    25. Adamiv, V., Teslyuk, I., Dyachok, Ya., Romanyuk, G., Krupych, O., Mys, O., Martynyuk-Lototska, I., Burak, Ya., & Vlokh, R. (2010). Synthesis and optical characterization of LiKB4O7, Li2B6O10 and LiCsB6O10 glasses. Applied Optics, 49(28), 5360-5365.
      doi:10.1364/AO.49.005360
    26. Henk, F. A. (2025). Mie scattering near the Fröhlich mode, J. Opt. Soc. Am. A, 42, 580-586.
      doi:10.1364/JOSAA.558101
    27. Johnson, P. B., & Christy, R. W. (1972). Optical Constants of the Noble Metals. Phys. Rev. B, 6(12), 4370-4379.
      doi:10.1103/PhysRevB.6.4370
    28. Kaganovski, Yu., Mogilko, E., Lipovskii, A. A., & Rosenbluh, M. (2007). Formation of nanoclusters in silver-doped glasses in wet atmosphere. J. Physics: Conference Serie, 61, 508-512.
      doi:10.1088/1742-6596/61/1/103
    29. Reintjes, J. F. (1984). Nonlinear optical processes in liquids and gases. Academic Press, Orlando.
    30. Kelly, K. L., Coronado, E., Zhao, L. L. & Schatz, G. C. (2003). The Optical Properties of Metal Nanoparticles: The Influence of Size, Shape, and Dielectric Environment. The Journal of Physical Chemistry B, 107, 668-677.
      doi:10.1021/jp026731y
    31. Malynych, S. & Chumanov, G. (2003). Light-Induced Coherent Interactions between Silver Nanoparticles in Two-Dimensional Arrays. J. Am. Chem. Soc., 125, 2896-2898.
      doi:10.1021/ja029453p
    32. Simo, A., Polte, J., Pfänder, N., Vainio, U., Emmerling, F., & Rademann, K. (2012). Formation mechanism of silver nanoparticles stabilized in glassy matrices. J. Am. Chem. Soc., 134, 18824−18833.
      doi:10.1021/ja309034n
    33. Paje, S. E., Llopis, J., Villegas, M. A., & Fernandez Navarro, J. M. (1996). Photoluminescence of a silver-doped glass. Applied Physics A, 63, 431-434.
      doi:10.1007/BF01571669
    34. Bolesta, I. M., Borodchuk, A. V., Kushnir, A. A., Kolych, I. I., & Syworotka, I. I. (2011). Morphology and absorption spectra of ultra-thin films of silver. Journal of Physical Studies, 15(4), 4703 (8 p.).
      doi:10.30970/jps.15.4703

    Досліджено морфологію та оптичні властивості наночастинок Ag (НЧ Ag) у зразках скла LiB3O5:Ag (0,1 мол.%), сформованих термічним відпалом на повітрі та у вакуумі, а також під впливом потужного лазерного випромінювання. Було виявлено, що основна маса НЧ Ag, сформованих термічним відпалом на повітрі, мають майже сферичну форму з R в діапазоні 20–100 нм, а значна частина поверхні зразків, відпалених у вакуумі, покрита НЧ Ag, сильно спотвореними відносно сферичної форми, з розмірами в діапазоні 100–200 нм, які перебувають в електричному контакті одна з одною. Лоренцеве розкладання записаних спектрів поглинання виявило 3-компонентні смуги поглинання – 241 нм, 367 нм та 426 нм, з яких лише одна смуга при 426 нм пов'язана з плазмонним резонансом на НЧ Ag, розташованих у приповерхневому шарі зразка, дві інші смуги при 241 нм та 367 нм пов'язані з іонами Ag+ та агрегатами Ag2+ в об'ємі скла. Після обробки лазерним випромінюванням λ = 405 нм та потужністю 1,0 Вт, поверхня скляного зразка покривається несуцільною плівкою металевого Ag, над якою спостерігаються пластинчасті дендрити шириною 100–240 нм та довжиною 1–5 мкм, а в спектрі поглинання реєструються смуги при 368 нм та 820 нм, спричинені поверхневим плазмонним резонансом, причому перша смуга відповідає за несуцільну плівку Ag, тоді як друга, найімовірніше, пов'язана з дендритами металевого Ag.

    Ключові слова: боратне скло, наночастинки Ag, плазмонний резонанс, LiB3O5:Ag

Free download this article 

This work is licensed under CC BY 4.0