CN103668381B - 一种绝缘基片上原位多孔氧化铝膜的制备方法 - Google Patents

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一种绝缘基片上原位多孔氧化铝膜的制备方法，其特征在于步骤为：1）在绝缘基片上镀上一层厚度为100nm-10μm的光滑铝膜；2）将步骤1)中得到的镀有铝膜的基片，浸在草酸电解液中进行预阳极氧化；3）扫描阳极氧化：将步骤2)中经过预阳极氧化的基片，从电解槽中取出清洗去除吸附的草酸电解液；将电解槽的草酸电解液移出，将洗净的基片放回电解槽，然后用蠕动泵将移出的草酸电解液匀速泵回电解槽，保持电解槽中液面匀速上升，当电解液的液面从基片的底部匀速扫过整个预氧化基片后，基片上预氧化步骤中尚未氧化的残余铝层随着电解液的匀速上升，依次完成阳极氧化过程，从而在绝缘基片上获得均匀高质量的原位多孔阳极氧化铝膜层；4）氧化退火。本发明制备工艺简单、制造成本低，可以在各种形貌的绝缘基片上原位镀制大面积多孔阳极氧化铝膜。

Description

一种绝缘基片上原位多孔氧化铝膜的制备方法
技术领域
本发明涉及一种绝缘基片上原位多孔氧化铝膜的制备方法，具体是一种通过高纯铝蒸发结合扫描阳极氧化的方法，在绝缘基片上原位制备大面积纳米多孔阳极氧化铝膜。
背景技术
高纯铝阳极氧化制备的多孔阳极氧化铝是一种重要的纳米材料，不仅在纳米材料合成上被广泛使用，另外在光学减反射，衍射光学器件等方面都有广泛的可能应用。因此，在光学基片上原位制备大面积高质量的多孔阳极氧化铝膜层是一种很有价值的光学薄膜制备技术。
目前对于基片上的原位多孔阳极氧化铝膜的制备，大部分是在可以导电的基片如硅片、ITO导电玻璃以及喷镀钛的ITO玻璃上（Nanotechnology，13，(2002)627-630；ACSNANO，2，NO.11，(2008)2250-2256）实现的，对于大部分的绝缘基片如玻璃、熔融石英、蓝宝石等基片而言，通常的阳极氧化技术对直接镀制在上述绝缘基片上的金属铝层进行电化学氧化时，会因为缺乏导电衬底传输阳极氧化电流的关键作用，难以完全转化为高质量的透明氧化铝膜层，因此，制备出的阳极氧化铝镀膜层光学透明性较差（AppliedSurfaceScience，257，(2011)3307-3312；AdvancedMaterialsResearch，179-180，(2011)274-278），难以满足光学器件对膜层高光学透过率的要求。尤其是在大面积（5cm×5cm以上）绝缘基片上高质量的原位阳极氧化铝膜层（玻璃镀膜后，样品在可见光区平均透过率大于90%）的制备，用通常的阳极氧化工艺更是难以成功。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种绝缘基片上原位多孔氧化铝膜的制备方法，具有制备工艺简单、制造成本低、可以在各种形貌的绝缘基片上原位镀制大面积多孔阳极氧化铝膜的特点，解决了多孔阳极氧化铝镀膜在绝缘光学基片上应用的技术难点。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种绝缘基片上原位多孔氧化铝膜的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1）镀铝膜：采用溅射或蒸发方法，在绝缘基片上镀上一层厚度为100nm-10μm的光滑铝膜；
2）铝膜预阳极氧化：将步骤1)中得到的镀有铝膜的基片，浸在一定温度和浓度的草酸电解液中进行阳极氧化，当镀铝基片的铝层在最靠近氧化电解槽阳极的部位变得半透明，停止预阳极氧化；
3）扫描阳极氧化：将步骤2)中经过预阳极氧化的基片，从电解槽中取出清洗，洗去基片吸附的草酸电解液；再将电解槽的草酸电解液移出，将洗净的基片放回电解槽，然后用蠕动泵将移出的草酸电解液匀速泵回电解槽，保持电解槽中液面匀速上升，当电解液的液面从基片的底部匀速扫过整个预氧化基片后，基片上预氧化步骤中尚未氧化的残余铝层随着电解液的匀速上升，依次完成阳极氧化过程，从而在绝缘基片上获得均匀高质量的原位多孔阳极氧化铝膜层；
4）氧化退火：将步骤3)得到的样品洗干净后晾干，放入电炉中进行退火氧化，即获得在绝缘基片上镀制有原位多孔阳极氧化铝膜的样品。
作为改进，所述步骤2）中草酸电解液的浓度范围为0.1M~0.5M，温度为5~20℃，阳极氧化电压为10V~40V，阳极氧化时间4~200min。
再改进，所述步骤3）中草酸电解液匀速泵回电解槽中液面以0.1~1mm/min速度匀速上升。
最后，所述步骤4）中的退火氧化温度为500~600℃，时间为1~5小时。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明通过高纯铝蒸发结合扫描阳极氧化的方法，在绝缘基片上原位制备大面积纳米多孔阳极氧化铝膜，解决了多孔阳极氧化铝镀膜在绝缘光学基片上应用的技术难点；在制备过程中可以通过精确控制蠕动泵将草酸电解液匀速泵回电解槽，驱使电解槽中液面从预氧化的基片底部匀速扫过整个基片，可在任意材质的大面积绝缘基片上依次均匀扫描氧化金属铝层，从而在绝缘基片上制备出大面积高质量的原位多孔阳极氧化铝膜样品。本发明制备工艺简单、制造成本低、可以在各种形貌的绝缘基片上原位镀制大面积多孔阳极氧化铝膜。
附图说明
图1是本发明的扫描阳极氧化法制备大面积绝缘基片上多孔阳极氧化铝膜样品过程原理示意框图；
图2为本发明的多孔阳极氧化铝膜样品的表面和截面扫描电镜图片，其中a、b为实施例1中制备完成的K9玻璃基片上多孔阳极氧化铝膜样品的表面和截面扫描电镜图片；c、d为实施例2中制备完成的熔融石英基片上多孔阳极氧化铝膜样品的表面和截面扫描电镜图片；e、f为实施例3中制备完成的蓝宝石基片上多孔阳极氧化铝膜样品的表面和截面扫描电镜图片。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1：
（1）镀铝膜，把纯度为99.999%的铝（片、丝、块等）放到电子束蒸发的坩埚中。把坩锅放入电子束蒸发仪中，把K9玻璃基片洗干净固定到电子束蒸发仪工作台上。按仪器操作步骤以一定速率在K9玻璃上镀上600nm厚的铝膜。
（2）铝膜预阳极氧化：将步骤（1）中得到的镀有铝膜的基片，浸在5℃的0.5M草酸溶液中，20V阳极氧化电压下进行阳极氧化25分钟，镀铝玻璃的铝层在最靠近氧化电解槽阳极的部位变得半透明，停止预阳极氧化。
（3）扫描阳极氧化：将步骤（2）中经过预阳极氧化的基片，取出电解槽进行清洗，洗去基片吸附的草酸电解液；再将电解槽的草酸电解液移出，将洗净的基片放回电解槽，然后用蠕动泵将移出的草酸电解液匀速泵回电解槽，保持电解槽中液面以1mm/min速度匀速上升。当电解液的液面从K9玻璃基片的底部匀速扫过整个预氧化的基片后，扫描阳极氧化过程完成。
（4）氧化退火：将步骤（3）得到的样品洗干净后晾干，放入电炉中，于500℃退火氧化1小时后取出，获得在K9玻璃基片上镀制有多孔氧化铝膜样品。
实施例2：
（1）镀铝膜，把纯度为99.999%的铝靶安装到磁控溅射仪中，把熔融石英基片洗干净固定到磁控溅射仪工作台上。按仪器操作步骤以一定速率在熔融石英基片上镀上600nm厚的铝膜。
（2）铝膜预阳极氧化：将步骤（1）中得到的镀有铝膜的基片，浸在20℃的0.1M草酸溶液中，30V阳极氧化电压下进行阳极氧化20分钟，镀铝基片的铝层在最靠近氧化电解槽阳极的部位变得半透明，停止预阳极氧化。
（3）扫描阳极氧化：将步骤（2）中经过预阳极氧化的基片，取出电解槽进行清洗，洗去基片吸附的草酸电解液；再将电解槽的草酸电解液移出，将洗净的基片放回电解槽，然后用蠕动泵将移出的草酸电解液匀速泵回电解槽，保持电解槽中液面以0.5mm/min速度匀速上升。当电解液的液面从基片的底部匀速扫过整个预氧化基片后，扫描阳极氧化过程完成。
（4）氧化退火：将步骤（3）得到的样品洗干净后晾干，放入电炉中，于550℃退火氧化2.5小时后取出，获得在熔融石英基片上镀制有多孔氧化铝膜的样品。
实施例3：
（1）镀铝膜，把纯度为99.999%的铝（片、丝、块等）放到电子束蒸发的坩埚中。把坩锅放入电子束蒸发仪中，把蓝宝石基片洗干净固定到电子束蒸发仪工作台上。按仪器操作步骤以一定速率在蓝宝石基片上镀上600nm厚的铝膜。
（2）铝膜预阳极氧化：将步骤（1）中得到的镀有铝膜的基片，浸在15℃的0.3M草酸溶液中，40V阳极氧化电压下进行阳极氧化10分钟，镀铝基片的铝层在最靠近氧化电解槽阳极的部位变得半透明，停止预阳极氧化。
（3）扫描阳极氧化：将步骤（2）中经过预阳极氧化的基片，取出电解槽进行清洗，洗去基片吸附的草酸电解液；再将电解槽的草酸电解液移出，将洗净的基片放回电解槽，然后用蠕动泵将移出的草酸电解液匀速泵回电解槽，保持电解槽中液面以0.1mm/min速度匀速上升。当电解液的液面从基片的底部匀速扫过整个预氧化基片后，扫描阳极氧化过程完成。
（4）氧化退火：将步骤（3）得到的样品洗干净后晾干，放入电炉中，于600℃退火氧化5小时后取出，获得在蓝宝石基片上镀制有多孔氧化铝膜的样品。
实施例4：
（1）镀铝膜，把纯度为99.999%的铝（片、丝、块等）放到电子束蒸发的坩埚中。把坩锅放入电子束蒸发仪中，把超白浮法玻璃基片洗干净固定到电子束蒸发仪工作台上。按仪器操作步骤以一定速率在超白浮法玻璃上镀上100nm厚的铝膜。
（2）铝膜预阳极氧化：将步骤（1）中得到的镀有铝膜的基片，浸在15℃的0.3M草酸溶液中，20V阳极氧化电压下进行阳极氧化4分钟，镀铝玻璃的铝层在最靠近氧化电解槽阳极的部位变得半透明，停止预阳极氧化。
（3）扫描阳极氧化：将步骤（2）中经过预阳极氧化的基片，取出电解槽进行清洗，洗去基片吸附的草酸电解液；再将电解槽的草酸电解液移出，将洗净的基片放回电解槽，然后用蠕动泵将移出的草酸电解液匀速泵回电解槽，保持电解槽中液面以1mm/min速度匀速上升。当电解液的液面从基片的底部匀速扫过整个预氧化基片后，扫描阳极氧化过程完成。
（4）氧化退火：将步骤（3）得到的样品洗干净后晾干，放入电炉中，于500℃退火氧化1小时后取出，获得在超白浮法玻璃基片上镀制有多孔氧化铝膜的样品。
实施例5：
（1）镀铝膜，把纯度为99.999%的铝（片、丝、块等）放到电子束蒸发的坩埚中。把坩锅放入电子束蒸发仪中，把超白压花玻璃基片洗干净固定到电子束蒸发仪工作台上。按仪器操作步骤以一定速率在超白压花玻璃上镀上10μm厚的铝膜。
（2）铝膜预阳极氧化：将步骤（1）中得到的镀有铝膜的基片，浸在15℃的0.3M草酸溶液中，40V阳极氧化电压下进行阳极氧化200分钟，镀铝玻璃的铝层在最靠近氧化电解槽阳极的部位变得半透明，停止预阳极氧化。
（3）扫描阳极氧化：将步骤（2）中经过预阳极氧化的基片，取出电解槽进行清洗，洗去基片吸附的草酸电解液；再将电解槽的草酸电解液移出，将洗净的基片放回电解槽，然后用蠕动泵将移出的草酸电解液匀速泵回电解槽，保持电解槽中液面以0.1mm/min速度匀速上升。当电解液的液面从基片的底部匀速扫过整个预氧化基片后，扫描阳极氧化过程完成。
（4）氧化退火：将步骤（3）得到的样品洗干净后晾干，放入电炉中，于600℃退火氧化5小时后取出，获得在超白压花玻璃基片上镀制有多孔氧化铝膜的样品。

Claims (4)

1.一种绝缘基片上原位多孔氧化铝膜的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1）镀铝膜：采用溅射或蒸发方法，在绝缘基片上镀上一层厚度为100nm-10μm的光滑铝膜；
2）铝膜预阳极氧化：将步骤1)中得到的镀有铝膜的基片，浸在一定温度和浓度的草酸电解液中进行阳极氧化，当镀铝基片的铝层在最靠近氧化电解槽阳极的部位变得半透明，停止预阳极氧化；
3）扫描阳极氧化：将步骤2)中经过预阳极氧化的基片，从电解槽中取出清洗，洗去基片吸附的草酸电解液；再将电解槽的草酸电解液移出，将洗净的基片放回电解槽，然后用蠕动泵将移出的草酸电解液匀速泵回电解槽，保持电解槽中液面匀速上升，当电解液的液面从基片的底部匀速扫过整个预氧化基片后，基片上预氧化步骤中尚未氧化的残余铝层随着电解液的匀速上升，依次完成阳极氧化过程，从而在绝缘基片上获得均匀高质量的原位多孔阳极氧化铝膜层；
4）氧化退火：将步骤3)得到的样品洗干净后晾干，放入电炉中进行退火氧化，即获得在绝缘基片上镀制有原位多孔阳极氧化铝膜的样品。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述步骤2）中草酸电解液的浓度范围为0.1M~0.5M，温度为5~20℃，阳极氧化电压为10V~40V，阳极氧化时间4~200min。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述步骤3）中草酸电解液匀速泵回电解槽中液面以0.1~1mm/min速度匀速上升。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤4）中的退火氧化温度为500~600℃，时间为1~5小时。
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