專利名稱：一種氧化鋁納米模板光子晶體的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過(guò)改變氧化鋁納米模板制備工藝來(lái)制備光子晶體的方法，屬于電化學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
眾所周知，在制備納米材料時(shí)通常需使用納米結(jié)構(gòu)模板。由于氧化鋁模板結(jié)構(gòu)有序，能夠制造出有序的納米結(jié)構(gòu)組裝體系，且制備氧化鋁納米模板的操作簡(jiǎn)單、成本低，所以，目前多使用氧化鋁模板來(lái)制備納米材料。但人們現(xiàn)在所用的電化學(xué)沉積、化學(xué)沉積、氣相沉積等制備氧化鋁納米模板的方法還只能制備出長(zhǎng)度和直徑可控的一維納米管線材料及其陣列，現(xiàn)有的這些制備方法無(wú)法制得具有其它微觀結(jié)構(gòu)的氧化鋁納米模板，因此也極可能會(huì)限制氧化鋁納米模板在一些特殊領(lǐng)域，如光子晶體的制備等方面的應(yīng)用。
光子晶體是本世紀(jì)八十年代末才提出來(lái)的新概念和新材料，其基本思想是同半導(dǎo)體中的電子一樣，光子在周期性介電結(jié)構(gòu)中傳播時(shí)，由于周期結(jié)構(gòu)帶來(lái)的影響，也會(huì)形成頻帶結(jié)構(gòu)；帶與帶之間存在帶隙。如果光子的頻率正處在帶隙中，具有這種頻率的光子是無(wú)法在這種結(jié)構(gòu)中傳播的。這時(shí)，只有反射，沒(méi)有透射。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有氧化鋁納米模板在光子晶體方面應(yīng)用的不足，本發(fā)明提供一種氧化鋁納米模板光子晶體的制備方法，將光子晶體的周期性結(jié)構(gòu)引入到氧化鋁納米模板中來(lái)，使氧化鋁模板具有周期性介電結(jié)構(gòu)，從而具有帶隙。該方法通過(guò)改變現(xiàn)有氧化鋁納米模板的制備工藝來(lái)制備光子晶體。由于氧化鋁納米模板的孔洞直徑和陽(yáng)極氧化電壓成正比，孔洞密度和電壓平方成反比，通過(guò)周期性調(diào)制陽(yáng)極氧化電壓，使在鋁片表面形成的氧化鋁納米結(jié)構(gòu)發(fā)生周期變化，在氧化鋁模板中形成周期納米孔洞結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中存在氧化鋁和空氣的周期排列符合光子晶體的周期性介電結(jié)構(gòu)的要求從而具備光子晶體的性質(zhì)。并且可以通過(guò)改變相應(yīng)的制備條件來(lái)調(diào)節(jié)帶隙的深淺和位置來(lái)滿足不同條件的需要。
本發(fā)明解決問(wèn)題的方案是在適當(dāng)環(huán)境溫度下采用如下步驟制備(1)對(duì)鋁片依次用常規(guī)方法進(jìn)行去油、表面清洗、電化學(xué)拋光、一次或數(shù)次陽(yáng)極氧化、溶解氧化鋁膜的處理。
(2)在恒定的電壓下將處理過(guò)的鋁片再次進(jìn)行陽(yáng)極氧化，并使電壓保持恒定適當(dāng)時(shí)間，電壓選擇在40伏到65伏之間。
(3)以0.1v/s～3v/s的速度將電壓降到25伏到40伏之間，并使降低后的電壓也保持恒定適當(dāng)時(shí)間。
(4)再次提高電壓，反復(fù)重復(fù)步驟(2)(3)，重復(fù)次數(shù)等于所需要光子晶體的層數(shù)。
(5)最后將制得的氧化鋁納米模板光子晶體置入飽和HgCl溶液中去掉模板上剩余的鋁后，將其取出清潔并干燥即可。
其中，步驟(2)所用電壓與步驟(3)中所用電壓的比值在1.5∶1到2.0∶1之間。用上述方法制備光子晶體時(shí)，鋁片通常應(yīng)選擇純度較高的鋁片，環(huán)境溫度一般應(yīng)在0到30攝氏度之間，并且通常使用丙酮去油，分別用濃度低于1mol/L的稀強(qiáng)酸和稀強(qiáng)堿溶液對(duì)鋁片進(jìn)行表面清洗，使用0.1-0.5mol/L的草酸做電解液，拋光后的鋁片做陽(yáng)極，惰性材料做陰極，對(duì)鋁片進(jìn)行陽(yáng)極氧化，用4～10wt％磷酸和1～3wt％鉻酸的混和溶液溶解在鋁片表面形成的氧化鋁膜。
由于光子晶體的層數(shù)與帶隙的深淺有關(guān)，層數(shù)越多帶隙越深，所以可以通過(guò)步驟(4)的重復(fù)次數(shù)控制光子晶體層數(shù)來(lái)改變帶隙深淺。光子晶體的帶隙位置和層間距成正比，可以通過(guò)調(diào)節(jié)環(huán)境溫度和單周期氧化鋁模板生長(zhǎng)時(shí)間改變來(lái)調(diào)節(jié)層間距從而改變帶隙位置。
該方法不僅操作方便、制作成本低、可大面積生產(chǎn)光子晶體，而且制備出的三維氧化鋁納米模板光子晶體層數(shù)可控、帶隙的深淺及位置可調(diào)，從而在光學(xué)器件制備領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。


圖1為本發(fā)明制備的光子晶體的側(cè)面劈裂圖。
圖2為本發(fā)明制備的光子晶體的透射光譜。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明制備光子晶體的方法是在0℃～30℃的環(huán)境溫度下按如下步驟操作步驟一將一純度最高可達(dá)99.99％的鋁片依次經(jīng)過(guò)去油、稀強(qiáng)酸清洗、稀強(qiáng)堿清洗、電化學(xué)拋光，從而形成清潔光亮的表面。
步驟二使用0.1-0.5mol/L的草酸做電解液，拋光后的鋁片做陽(yáng)極，鉑片做陰極，對(duì)鋁片進(jìn)行一次或數(shù)次陽(yáng)極氧化，然后使用磷酸和鉻酸的混和溶液溶解在鋁片表面形成的氧化鋁膜。
步驟三再次進(jìn)行陽(yáng)極氧化，并使電壓在40v～65V間的一恒定電壓下持續(xù)適當(dāng)時(shí)間。
步驟四以0.1v/s～3v/s之間的速度，將電壓降到40v～25v之間一電壓值，步驟二中恒定電壓與該電壓的比值應(yīng)在1.5∶1到2.0∶1之間，并將該電壓持續(xù)適當(dāng)時(shí)間。
步驟五提高電壓，反復(fù)重復(fù)步驟三和四，重復(fù)次數(shù)等于所需要光子晶體的層數(shù)。
步驟六使用飽和氯化汞溶液溶解掉氧化鋁模板上的鋁。
下面提供具體實(shí)施例如下實(shí)施例一在環(huán)境溫度為20攝氏度左右，按如下步驟操作(1)將厚度為0.2mm的鋁片裁成2.5cm×3cm的形狀。
(2)使用丙酮去油，然后分別使用0.1mol/L稀硫酸和稀氫氧化鈉溶液洗滌該鋁片。
(3)在80wt％無(wú)水酒精和20wt％高氯酸混合溶液的電解液中，將處理過(guò)的鋁片做陽(yáng)極，鉑片做陰極進(jìn)行電化學(xué)拋光，電壓為16v，時(shí)間3分鐘。
(4)使用0.3mol/L的草酸做電解液，拋光后的鋁片做陽(yáng)極，鉑片做陰極，對(duì)鋁片進(jìn)行陽(yáng)極氧化。電壓52v，時(shí)間6小時(shí)。
(5)使用6wt％磷酸和1.8wt％鉻酸的混和溶液溶解在鋁片表面形成的氧化鋁膜。
(6)使用草酸做電解液，在52v的恒定電壓下再次進(jìn)行陽(yáng)極氧化1分鐘。然后以0.33v/s的速度將電壓降低到30v，然后固定在30v，持續(xù)4分鐘。
(7)提高電壓到52伏并重復(fù)步驟(6)60次。
(8)將所制備的氧化鋁納米模板置入飽和HgCl溶液中去掉模板上剩余的鋁，將氧化鋁模板取出清潔并干燥。
對(duì)實(shí)施例一制得的成品進(jìn)行分析，如圖1、圖2所示，圖中淺色部分為氧化鋁，黑色部分為孔洞。圖1顯示周期性的電壓降低導(dǎo)致孔洞周期性的分叉。圖2顯示周期性的納米結(jié)構(gòu)導(dǎo)致透射譜在1800nm的位置出現(xiàn)帶隙。
權(quán)利要求
1.一種氧化鋁納米模板光子晶體的制備方法，其特征在于在適當(dāng)環(huán)境溫度下采用如下步驟制備(1)對(duì)鋁片依次用相應(yīng)的常規(guī)方法進(jìn)行去油、表面清洗、電化學(xué)拋光的處理。(2)對(duì)處理過(guò)的鋁片用常規(guī)方法進(jìn)行陽(yáng)極氧化，陽(yáng)極氧化的次數(shù)可為1次，也可反復(fù)進(jìn)行數(shù)次。(3)用常規(guī)方法將陽(yáng)極氧化后的鋁片表面的氧化鋁膜溶解。(4)在恒定的電壓下將處理過(guò)的鋁片再次進(jìn)行陽(yáng)極氧化，保持適當(dāng)時(shí)間，電壓選擇在40伏到65伏之間。(5)以0.1v/s～3v/s的速度將電壓降到25伏到40伏之間，并使降低后的電壓也保持恒定適當(dāng)時(shí)間。(6)再次提高陽(yáng)極氧化電壓，重復(fù)步驟(4)(5)，重復(fù)次數(shù)等于所需要光子晶體的層數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子晶體的制備方法，其特征在于最后將制得的氧化鋁納米模板光子晶體置入飽和HgCl溶液中去掉模板上剩余的鋁后，取出清潔并干燥。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光子晶體的制備方法，其特征在于步驟(4)所用電壓與步驟(5)中所用電壓的比值在1.5∶1到2.0∶1之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光子晶體的制備方法，其特征在于使用丙酮去油，分別用稀強(qiáng)酸和稀強(qiáng)堿溶液對(duì)鋁片進(jìn)行表面清洗，稀強(qiáng)酸和稀強(qiáng)堿溶液的濃度在1mol/L以下。
5.據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光子晶體的制備方法，其特征在于使用4～10wt％磷酸和1～3wt％鉻酸的混和溶液溶解在鋁片表面形成的氧化鋁膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光子晶體的制備方法，其特征在于對(duì)鋁片進(jìn)行陽(yáng)極氧化時(shí)，使用0.1-1mol/L的草酸做電解液，拋光后的鋁片做陽(yáng)極，惰性材料做陰極。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光子晶體的制備方法，其特征在于環(huán)境溫度在0到30攝氏度之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光子晶體的制備方法，其特征在于通過(guò)調(diào)節(jié)環(huán)境溫度或改變單周期氧化鋁模板生長(zhǎng)時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)層間距從而改變帶隙位置，通過(guò)步驟(6)的重復(fù)次數(shù)控制光子晶體層數(shù)來(lái)改變帶隙深淺。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種氧化鋁納米模板光子晶體的制備方法，它使氧化鋁模板具有周期性介電結(jié)構(gòu)，從而具有光子帶隙。該方法的主要采用的步驟是將經(jīng)過(guò)表面處理溶解掉氧化鋁的鋁片進(jìn)行陽(yáng)極氧化，先以較高電壓陽(yáng)極氧化然后降低到較低電壓進(jìn)行陽(yáng)極氧化并反復(fù)重復(fù)該步驟由于周期性調(diào)制陽(yáng)極氧化電壓，使在鋁片表面形成的氧化鋁納米結(jié)構(gòu)發(fā)生周期變化，形成周期性孔洞結(jié)構(gòu)，在該網(wǎng)狀周期結(jié)構(gòu)中存在氧化鋁和空氣的周期性介電結(jié)構(gòu)從而具備光子晶體的性質(zhì)。該方法不僅操作方便、制作成本低、可大面積生產(chǎn)光子晶體，而且制備出的三維氧化鋁納米模板層數(shù)可控、帶隙的深淺及位置可調(diào)，從而在光學(xué)器件制備領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)C25D11/04GK1752296SQ20051001888
公開(kāi)日2006年3月29日 申請(qǐng)日期2005年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月8日
發(fā)明者郭東來(lái), 鄒憲武 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)