CN100381613C - 一种氧化铝纳米模板光子晶体的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氧化铝纳米模板光子晶体的制备方法，它使氧化铝模板具有周期性介电结构，从而具有光子带隙。该方法的主要采用的步骤是将经过表面处理溶解掉氧化铝的铝片进行阳极氧化，先以较高电压阳极氧化然后降低到较低电压进行阳极氧化并反复重复该步骤。由于周期性调制阳极氧化电压，使在铝片表面形成的氧化铝纳米结构发生周期变化，形成周期性孔洞结构，在该网状周期结构中存在氧化铝和空气的周期性介电结构从而具备光子晶体的性质。该方法不仅操作方便、制作成本低、可大面积生产光子晶体，而且制备出的三维氧化铝纳米模板层数可控、带隙的深浅及位置可调，从而在光学器件制备领域有广泛的应用前景。

Description

一种氧化铝纳米模板光子晶体的制备方法

技术领域

本发明涉及一种通过改变氧化铝纳米模板制备工艺来制备光子晶体的方法，属于电化学技术领域。

背景技术

众所周知，在制备纳米材料时通常需使用纳米结构模板。由于氧化铝模板结构有序，能够制造出有序的纳米结构组装体系，且制备氧化铝纳米模板的操作简单、成本低，所以，目前多使用氧化铝模板来制备纳米材料。但人们现在所用的电化学沉积、化学沉积、气相沉积等制备氧化铝纳米模板的方法还只能制备出长度和直径可控的一维纳米管线材料及其阵列，现有的这些制备方法无法制得具有其它微观结构的氧化铝纳米模板，因此也极可能会限制氧化铝纳米模板在一些特殊领域，如光子晶体的制备等方面的应用。

光子晶体是本世纪八十年代末才提出来的新概念和新材料，其基本思想是：同半导体中的电子一样，光子在周期性介电结构中传播时，由于周期结构带来的影响，也会形成频带结构；带与带之间存在带隙。如果光子的频率正处在带隙中，具有这种频率的光子是无法在这种结构中传播的。这时，只有反射，没有透射。

发明内容

为了克服现有氧化铝纳米模板在光子晶体方面应用的不足，本发明提供一种氧化铝纳米模板光子晶体的制备方法，将光子晶体的周期性结构引入到氧化铝纳米模板中来，使氧化铝模板具有周期性介电结构，从而具有带隙。该方法通过改变现有氧化铝纳米模板的制备工艺来制备光子晶体。由于氧化铝纳米模板的孔洞直径和阳极氧化电压成正比，孔洞密度和电压平方成反比，通过周期性调制阳极氧化电压，使在铝片表面形成的氧化铝纳米结构发生周期变化，在氧化铝模板中形成周期纳米孔洞结构，在该结构中存在氧化铝和空气的周期排列符合光子晶体的周期性介电结构的要求从而具备光子晶体的性质。并且可以通过改变相应的制备条件来调节带隙的深浅和位置来满足不同条件的需要。

本发明解决问题的方案是在适当环境温度下采用如下步骤制备：

(1)对铝片依次用常规方法进行去油、表面清洗、电化学抛光、一次或数次阳极氧化、溶解氧化铝膜的处理。

(2)在恒定的电压下将处理过的铝片再次进行阳极氧化，并使电压保持恒定适当时间，电压选择在40伏到65伏之间。

(3)以0.1v/s～3v/s的速度将电压降到25伏到40伏之间，并使降低后的电压也保持恒定适当时间。

(4)再次提高电压，反复重复步骤(2)(3)，重复次数等于所需要光子晶体的层数。

(5)最后将制得的氧化铝纳米模板光子晶体置入饱和HgCl₂溶液中去掉模板上剩余的铝后，将其取出清洁并干燥即可。

其中，步骤(2)所用电压与步骤(3)中所用电压的比值在1.5∶1到2.0∶1之间。用上述方法制备光子晶体时，铝片通常应选择纯度较高的铝片，环境温度一般应在0到30摄氏度之间，并且通常使用丙酮去油，分别用浓度低于1mol/L的稀强酸和稀强碱溶液对铝片进行表面清洗，使用0.1-0.5mol/L的草酸做电解液，抛光后的铝片做阳极，惰性材料做阴极，对铝片进行阳极氧化，用4～10wt％磷酸和1～3wt％铬酸的混和溶液溶解在铝片表面形成的氧化铝膜。

由于光子晶体的层数与带隙的深浅有关，层数越多带隙越深，所以可以通过步骤(4)的重复次数控制光子晶体层数来改变带隙深浅。光子晶体的带隙位置和层间距成正比，可以通过调节环境温度和单周期氧化铝模板生长时间改变来调节层间距从而改变带隙位置。

该方法不仅操作方便、制作成本低、可大面积生产光子晶体，而且制备出的三维氧化铝纳米模板光子晶体层数可控、带隙的深浅及位置可调，从而在光学器件制备领域有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明制备的光子晶体的侧面劈裂图。

图2为本发明制备的光子晶体的透射光谱。

具体实施方式

本发明制备光子晶体的方法是在0℃～30℃的环境温度下按如下步骤操作：

步骤一：将一纯度最高可达99.99％的铝片依次经过去油、稀强酸清洗、稀强碱清洗、电化学抛光，从而形成清洁光亮的表面。

步骤二：使用0.1-0.5mol/L的草酸做电解液，抛光后的铝片做阳极，铂片做阴极，对铝片进行一次或数次阳极氧化，然后使用磷酸和铬酸的混和溶液溶解在铝片表面形成的氧化铝膜。

步骤三：再次进行阳极氧化，并使电压在40v～65V间的一恒定电压下持续适当时间。

步骤四：以0.1v/s～3v/s之间的速度，将电压降到40v～25v之间一电压值，步骤二中恒定电压与该电压的比值应在1.5∶1到2.0∶1之间，并将该电压持续适当时间。

步骤五：提高电压，反复重复步骤三和四，重复次数等于所需要光子晶体的层数。

步骤六：使用饱和氯化汞溶液溶解掉氧化铝模板上的铝。

下面提供具体实施例如下：

实施例一

在环境温度为20摄氏度左右，按如下步骤操作：

(1)将厚度为0.2mm的铝片裁成2.5cm×3cm的形状。

(2)使用丙酮去油，然后分别使用0.1mol/L稀硫酸和稀氢氧化钠溶液洗涤该铝片。

(3)在80wt％无水酒精和20wt％高氯酸混合溶液的电解液中，将处理过的铝片做阳极，铂片做阴极进行电化学抛光，电压为16v，时间3分钟。

(4)使用0.3mol/L的草酸做电解液，抛光后的铝片做阳极，铂片做阴极，对铝片进行阳极氧化。电压52v，时间6小时。

(5)使用6wt％磷酸和1.8wt％铬酸的混和溶液溶解在铝片表面形成的氧化铝膜。

(6)使用草酸做电解液，在52v的恒定电压下再次进行阳极氧化1分钟。然后以0.33v/s的速度将电压降低到30v，然后固定在30v，持续4分钟。

(7)提高电压到52伏并重复步骤(6)60次。

(8)将所制备的氧化铝纳米模板置入饱和HgCl₂溶液中去掉模板上剩余的铝，将氧化铝模板取出清洁并干燥。

对实施例一制得的成品进行分析，如图1、图2所示，图中浅色部分为氧化铝，黑色部分为孔洞。图1显示周期性的电压降低导致孔洞周期性的分叉。图2显示周期性的纳米结构导致透射谱在1800nm的位置出现带隙。

Claims (8)

1.一种氧化铝纳米模板光子晶体的制备方法，其特征在于在适当环境温度下采用如下步骤制备：

(1)对铝片依次用相应的常规方法进行去油、表面清洗、电化学抛光的处理；

(2)对处理过的铝片用常规方法进行阳极氧化，阳极氧化的次数可为1次，也可反复进行数次；

(3)用常规方法将阳极氧化后的铝片表面的氧化铝膜溶解；

(4)在恒定的电压下将处理过的铝片再次进行阳极氧化，保持一段时间，电压选择在40伏到65伏之间；

(5)以0.1v/s～3v/s的速度将电压降到25伏到40伏之间，并使降低后的电压也保持恒定一段时间，继续对铝片进行阳极氧化；

(6)再次提高阳极氧化电压，重复步骤(4)(5)，重复次数等于所需要光子晶体的层数。

2.根据权利要求1所述的光子晶体的制备方法，其特征在于：最后将制得的氧化铝纳米模板光子晶体置入饱和HgCl₂溶液中去掉模板上剩余的铝后，取出清洁并干燥。

3.根据权利要求1或2所述的光子晶体的制备方法，其特征在于：步骤(4)所用电压与步骤(5)中所用电压的比值在1.5∶1到2.0∶1之间。

4.根据权利要求1或2所述的光子晶体的制备方法，其特征在于：使用丙酮去油，分别用稀强酸和稀强碱溶液对铝片进行表面清洗，稀强酸和稀强碱溶液的浓度在1mol/L以下。

5.据权利要求1或2所述的光子晶体的制备方法，其特征在于：使用4～10wt％磷酸和1～3wt％铬酸的混和溶液溶解在铝片表面形成的氧化铝膜。

6.根据权利要求1或2所述的光子晶体的制备方法，其特征在于：对铝片进行阳极氧化时，使用0.1-1mol/L的草酸做电解液，抛光后的铝片做阳极，惰性材料做阴极。

7.根据权利要求1或2所述的光子晶体的制备方法，其特征在于：环境温度在0到30摄氏度之间。

8.根据权利要求1或2所述的光子晶体的制备方法，其特征在于：通过调节环境温度或改变单周期氧化铝模板生长时间来调节层间距从而改变带隙位置，通过步骤(6)的重复次数控制光子晶体层数来改变带隙深浅。