CN110079839A - 一种电沉积制备金属铝三维有序多孔光子晶体的方法 - Google Patents

一种电沉积制备金属铝三维有序多孔光子晶体的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电沉积制备金属铝三维有序多孔光子晶体的方法，采用重力沉降自组装法在铜基底上沉积有序性良好的蛋白石正模板，以正模板为阴极，在离子液体电镀液中还原金属铝离子填充到蛋白石正模板中的墙壁中，通过有机溶剂去除正模板，制备得到具有反蛋白石结构的金属铝光子晶体。与现有技术相比，本发明通过调配电镀液浓度，阴极沉积电压和沉积时间，制备出了轻金属铝光子晶体；本发明还通过改变蛋白石正模板粒径大小实现了孔径从100nm到800nm的金属铝光子晶体的制备。

Description

一种电沉积制备金属铝三维有序多孔光子晶体的方法
技术领域
本发明涉及制备光子晶体材料领域，尤其是涉及一种电沉积制备金属铝三维有序多孔光子晶体的方法。
背景技术
光子晶体这一概念是由Yablonovitch和John于1987年分别提出的。光子晶体是指带有光子带隙，具有周期性结构的新型功能材料，其最本质特征是光子禁带和光子局域，即只有落在光子禁带外的光才能够传播。由于光子晶体具有对光选择性传播的特殊性质，使其在高效能光子传导材料(如光纤、激光器、反射器、发光二极管等)、光催化、太阳能电池及电子器件方面都有广泛地应用。
由金属介质构成的光子晶体称为金属光子晶体。由于金属介质表面具有很大的非连续性，其布拉格反射比由传统介质组成的光子晶体相比更加强烈，致使金属光子晶体有更宽的带隙。与非金属电介质组成的光子晶体相比，金属光子晶体晶体功率容量更高、尺寸更小、质量更轻。这些优良特性使得金属光子晶体在光电子技术、传感器器技术、分子检测以及太阳能转化等方面具有很大的应用前景。除此之外，金属光子晶体应用到锂锍电池中时，其排列有序的多孔结构不仅能作为硫单质的集流体，而且能均匀分散硫在集流体中位置的作用，降低集聚，提高硫与锂离子的反应速率；同时，纳米级的大孔能有效抑制聚硫化物溶解在电解液中，减少锂支晶的生长，从而提高电池的循环寿命。
目前制备金属光子晶体的方法大体分为自上而下和自下而上两大类，前者包括电弧放电法、激光刻蚀法、电化学氧化法以及水热分解法等；后者主要有燃烧法、微波法、水热合成法及模板法等。自上而下运用的是物理方法，常需先进设备，工艺繁琐，且在制备红外及可见光频段的光子晶体存在困难。相对于物理制备方法，化学方法如纳米胶体晶体模板法不仅能制备出高度有序的光子晶体外，且所需的设备相对简易，成本低。
中国专利CN108057880A公开了一种制备金属光子晶体的方法，采用电沉积的方式使金属阳离子填充到光子晶体正模板的空隙中，通过有机溶剂除去光子晶体正模板，制备得到具有反蛋白石结构的金属光子晶体。该技术实现了对多种金属光子晶体的可控制备，但正模板需要做亲水性处理，且沉积出的金属均属于重金属与过渡金属，比重较大。
中国专利CN103243368A公开了全光谱色彩调控的二维光子晶体结构设计及基于锥形多孔材料的二维光子晶体制备方法，锥孔截面从底部到顶端不断增大。制备方法以铝层基底的锥孔氧化铝薄膜为起始结构。其中多孔氧化铝薄膜是由具有底部到顶端内径逐渐增大的锥孔结构为单元，以六方密堆积的形式排列。可直接在制得的氧化铝锥形孔材料表面，沉积纳米尺度膜层，构成复合薄膜体系具有明亮的色彩呈色；或将锥孔氧化铝结构通过二次复形，可得到其他材料的锥孔结构后，再沉积纳米尺度膜层，构成的复合薄膜体系。但是该专利主要是对多孔氧化铝结构进行控制，并没有公开具体的电沉积制备金属铝光子晶体的方法步骤。
因此，需要开发一种新型的、工艺简单，能够制备出轻金属光子晶体的方法。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种金属铝光子晶体的制备方法，解决了现有制备方法难以制备轻金属光子晶体的问题，并通过控制反模板的孔径和光子晶体的厚度实现对轻金属光子晶体的可控制备。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种电沉积制备金属铝三维有序多孔光子晶体的方法，包括以下步骤：
(1)利用乳液聚合法，制备聚合物单分散微球
(1-1)将苯乙烯单体与甲基苯烯酸分散在去离子水中，在恒温水浴中搅拌预热；
(1-2)逐滴加入过硫酸钾引发剂，恒温搅拌反应，得到聚苯乙烯微球溶胶；
(1-3)离心清洗聚苯乙烯溶胶，得到单分散聚苯乙烯微球；
(2)制备聚苯乙烯蛋白石模板
(2-1)将金属基底浸泡稀硫酸溶液中，再分别用丙酮、乙醇、异丙醇清洗，氮气吹干；
(2-2)将聚苯乙烯微球均匀分散在乙醇和去离子混合溶液中形成乳液，在一定温度和湿度下，通过重力沉降法使微球在处理后的金属基底上自组装蛋白石膜，得到聚苯乙烯蛋白石模板作为光子晶体正模板；
(3)制备金属铝光子晶体
(3-1)配置含有Al元素的咪唑类离子液体作为电镀液，以聚苯乙烯蛋白石模板为负极，Pt片为正极，AgCl为参比电极，在真空环境下恒压沉积一定的时间，所得沉积物分别用有机溶剂冲洗后，得到了填充金属铝的蛋白石模板；
(3-2)将填充了金属铝的蛋白石模板浸入有机溶剂中去除模板，得到反蛋白石结构的铝光子晶体。
步骤(1-1)中预热温度为70℃-80℃，时间为20min-30min；步骤(1-2)中搅拌反应的温度为60℃-80℃，时间为10-12h。
步骤(1-3)中得到粒径100nm-800nm的单分散聚苯乙烯微球。
步骤(2-1)中采用的金属基底为纯铜片；使用浓度为5wt％的稀硫酸作为清洗剂。
步骤(2-2)中形成乳液中聚合物单分散微球的质量分数为1-5wt％；自组装过程的反应温度35℃-65℃，相对湿度为30％-50％，自组装时间为36h以上。
步骤(3-1)中所述电镀液为三氯化铝和1-乙基-3-甲基咪唑氯化物的混合物，摩尔比为2:1或3:2。电沉积所施加的阴极电压为-0.5V～-0.8V，沉积时间为5-11min，反应在水氧含量均低于2ppm条件下进行。所述有机溶剂为三氟甲基磺酰基亚胺和异丙醇。
步骤(3-2)中所述有机溶剂为甲苯或四氢呋喃。
与现有技术相比，本发明采用蛋白石模板对沉积金属的离子液体浸润性良好，便于沉积，其工艺简单。在混合制备离子液体的过程中，1-乙基-3-甲基咪唑氯化物(EMIC)为反应提供Cl-，其和加入中的固态三氯化铝(AlCl3)经过初步反应生成氯代铝酸根离子，随着AlCl3不断加入，混合液体的酸碱性会有很大的变化，当溶液处于Lewis酸性，此时Al2Cl7 -为离子液体的主要离子，且EMI+比Al2Cl7 -的还原电位更正，故可析出Al，其电化学沉积才能够正常进行。通过调控AlCl3和EMIC离子液体的配置比例及Al在铜基底上沉积所需电压与时间，实现了高纯度、表面均匀、结合力好的金属铝的制备；通过控制反模板的孔径和光子晶体的厚度实现对轻金属光子晶体的可控制备，通过改变蛋白石正模板粒径大小实现了孔径从250nm到350nm的金属铝光子晶体的制备。
附图说明
图1a为实施例1得到的蛋白石正模板的扫描电镜图片；
图1b为实施例3得到的蛋白石正模板的扫描电镜图片；
图2为实施例2得到的金属铝光子晶体的扫描电镜图片；
图3为实施例2得到的金属铝光子晶体的X射线衍射图谱。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
一种电沉积制备金属铝三维有序多孔光子晶体的方法，包括以下步骤：
(1)利用乳液聚合法，制备聚合物单分散微球
(1-1)将苯乙烯单体与甲基苯烯酸分散在去离子水中，在恒温水浴中，控制温度为70℃-80℃搅拌预热20min-30min；
(1-2)逐滴加入过硫酸钾引发剂，控制温度为60℃-80℃恒温搅拌反应10-12h，得到聚苯乙烯微球溶胶；
(1-3)离心清洗聚苯乙烯溶胶，得到粒径100nm-800nm的单分散聚苯乙烯微球；
(2)制备聚苯乙烯蛋白石模板
(2-1)将纯铜片浸泡在浓度为5wt％稀硫酸溶液中，再分别用丙酮、乙醇、异丙醇清洗，氮气吹干；
(2-2)将聚苯乙烯微球均匀分散在乙醇和去离子混合溶液中形成乳液，形成乳液中聚合物单分散微球的质量分数为1-5wt％，控制反应温度35℃-65℃，相对湿度为30％-50％，通过重力沉降法使微球在处理后的金属基底上，经过36h以上的自组装形成蛋白石膜，得到聚苯乙烯蛋白石模板作为光子晶体正模板；
(3)制备金属铝光子晶体
(3-1)配置三氯化铝和1-乙基-3-甲基咪唑氯化物摩尔比为2:1或3:2的混合物作为电镀液，以聚苯乙烯蛋白石模板为负极，Pt片为正极，AgCl为参比电极，电沉积所施加的阴极电压为-0.5V--0.8V，沉积时间为5-11min，反应在水氧含量均低于2ppm条件下进行恒压沉积，所得沉积物用三氟甲基磺酰基亚胺和异丙醇冲洗后，得到了填充金属铝的蛋白石模板；
(3-2)将填充了金属铝的蛋白石模板浸入甲苯或四氢呋喃中去除模板，得到反蛋白石结构的铝光子晶体。
以下是更加详细的实施案例，通过以下实施案例进一步说明本发明的技术方案以及所能够获得的技术效果。
实施例1
1)合成粒径350nm的聚苯乙烯微球：取85ml去离子水加入三口烧瓶中，分别称取10.5g苯乙烯单体和0.35g甲基丙烯酸加入上述烧瓶中；电磁搅拌充分混合并水浴加热至75℃，恒温保温30min后，加入37mM的过硫酸钾引发剂，在氮气气氛中80℃恒温反应10h，冷却至室温，得到聚苯乙烯微球原液；
2)将裁好的Cu基底浸泡稀硫酸中5min，分别在去离子水、丙酮、异丙醇、乙醇中超声15min，氮气吹干备用；
3)用乙醇和水(19:1)的混合溶液稀释聚苯乙烯微球原液，得到浓度为1％的聚苯乙烯溶液，将Cu基底倾斜置于溶液中，于恒温恒湿箱中进行自组装，温度为45℃，相对湿度40％，待36h后乳液挥发后取出，得到粒径为350nm的蛋白石正模板；图1a为蛋白石正模板的扫描电镜图片，图上可以看出聚苯乙烯球粒径大小约为350nm；
4)将正模板在干燥箱中进行退火处理，90℃保温2h；
5)配置离子液体电镀液：称取三氯化铝和1-乙基-3-甲基咪唑氯化物(摩尔比2:1)于100ml烧杯中，并磁力搅拌12h以后，使用高纯铝丝对离子液体进行精制，得到淡黄色的透亮离子液体，以上实验均在氩气保护的手套箱中进行；
6)确定最佳沉积电压：以蛋白石正模板为工作电极，铂电极为对电极，氯化银电极为参比电极，进行线性伏安扫描，得到还原电压为-0.45V；
7)电沉积采用恒压法，以蛋白石正模板为工作电极，铂电极为对电极，氯化银电极为参比电极，沉积电位设为-0.8V，沉积时间为5min；用1-丁基-1-甲基吡咯烷二铵(三氟甲基磺酰)酰胺和异丙醇对沉积物进行冲洗，以去除多余的离子液体；
8)将沉积好的蛋白石正模板浸泡于甲苯溶液中，24h后取出，乙醇清洗，并于80℃干燥箱中烘干，得到具有孔径为350nm左右的反蛋白石结构金属铝光子晶体。
实施例2
1)合成粒径350nm的聚苯乙烯微球：取85ml去离子水加入三口烧瓶中，分别称取10.5g苯乙烯单体和0.35g甲基丙烯酸加入上述烧瓶中；电磁搅拌充分混合并水浴加热至75℃，恒温保温30min后，加入37mM的过硫酸钾引发剂，在氮气气氛中80℃恒温反应10h，冷却至室温，得到聚苯乙烯微球原液；、
2)将裁好的Cu基底浸泡稀硫酸中5min，分别在去离子水、丙酮、异丙醇、乙醇中超声15min，氮气吹干备用；
3)用乙醇和水(19:1)的混合溶液稀释聚苯乙烯微球原液，得到浓度为5％的聚苯乙烯溶液，将Cu基底倾斜置于溶液中，于恒温恒湿箱中进行自组装，温度为45℃，相对湿度40％，待36h后乳液挥发后取出，得到粒径为350nm的蛋白石正模板；
4)将正模板在干燥箱中进行退火处理，90℃保温2h；
5)配置离子液体电镀液：称取三氯化铝和1-乙基-3-甲基咪唑氯化物(摩尔比2:1)于100ml烧杯中，并磁力搅拌12h以上，使用干净的铝丝对离子液体进行精制，得到淡黄色的透亮离子液体，以上实验均在氩气保护的手套箱中进行；
6)确定最佳沉积电压：以蛋白石正模板为工作电极，铂电极为对电极，氯化银电极为参比电极，进行线性伏安扫描，得到还原电压为-0.45V；
7)电沉积采用恒压法，以蛋白石正模板为工作电极，铂电极为对电极，氯化银电极为参比电极，沉积电位设为-0.8V，沉积时间为10min；用1-丁基-1-甲基吡咯烷二铵(三氟甲基磺酰)酰胺和异丙醇对沉积物进行冲洗，以去除多余的离子液体；
8)将沉积好的蛋白石正模板浸泡于甲苯中，24h后取出，乙醇清洗，并于80℃干燥箱中烘干，得到具有孔径为350nm左右的反蛋白石结构金属铝光子晶体；图2为金属铝光子晶体的扫描电镜图片，如图可见，铝光子晶体由分层连续的三维有序多孔结构组成；图3为金属铝光子晶体的X射线衍射图谱，其结果未出现杂峰，表明制备得到的产物为纯的金属铝。
实施例3
1)合成粒径250nm的聚苯乙烯微球：取85ml去离子水加入三口烧瓶中，分别称取10.5g苯乙烯单体和0.35g甲基丙烯酸加入上述烧瓶中；电磁搅拌充分混合并水浴加热至75℃，恒温保温30min后，加入40mM的过硫酸钾引发剂，在氮气气氛中65℃恒温反应12h，冷却至室温，得到聚苯乙烯微球原液；
2)将裁好的Cu基底浸泡稀硫酸中5min，分别在去离子水、丙酮、异丙醇、乙醇中超声15min，氮气吹干备用；
3)用乙醇和水(19:1)的混合溶液稀释聚苯乙烯微球原液，得到浓度为2％的聚苯乙烯溶液，将Cu基底倾斜置于溶液中，于恒温恒湿箱中进行自组装，温度为45℃，相对湿度40％，待36h后乳液挥发后取出，得到粒径为250nm的蛋白石正模板；图1b为蛋白石正模板的扫描电镜图片，图上可以看出聚苯乙烯球粒径大小约为250nm；
4)将正模板在干燥箱中进行退火处理，90℃保温2h；
5)配置离子液体电镀液：称取三氯化铝和1-乙基-3-甲基咪唑氯化物(摩尔比3:2)于100ml烧杯中，并磁力搅拌12h以上，使用干净的铝丝对离子液体进行精制，得到淡黄色的透亮离子液体，以上实验均在氩气保护的手套箱中进行；
6)确定最佳沉积电压：以蛋白石正模板为工作电极，铂电极为对电极，氯化银电极为参比电极，进行线性伏安扫描，得到还原电压为-0.25V；
7)电沉积采用恒压法，以蛋白石正模板为工作电极，铂电极为对电极，氯化银电极为参比电极，沉积电位设为-0.5V，沉积时间为11min；用1-丁基-1-甲基吡咯烷二铵(三氟甲基磺酰)酰胺和异丙醇对沉积物进行冲洗，以去除多余的离子液体；
8)将沉积好的蛋白石正模板浸泡于四氢呋喃中，24h后取出，乙醇清洗，并于80℃干燥箱中烘干，得到具有孔径为250nm左右的反蛋白石结构金属铝光子晶体。
实施例4
一种电沉积制备金属铝三维有序多孔光子晶体的方法，包括以下步骤：
(1)利用乳液聚合法，制备聚合物单分散微球
(1-1)将苯乙烯单体与甲基苯烯酸分散在去离子水中，在恒温水浴中，控制温度为70℃搅拌预热30min；
(1-2)逐滴加入过硫酸钾引发剂，控制温度为60℃恒温搅拌反应12h，得到聚苯乙烯微球溶胶；
(1-3)离心清洗聚苯乙烯溶胶，得到粒径800nm的单分散聚苯乙烯微球；
(2)制备聚苯乙烯蛋白石模板
(2-1)将纯铜片浸泡在浓度为5wt％稀硫酸溶液中，再分别用丙酮、乙醇、异丙醇清洗，氮气吹干；
(2-2)将聚苯乙烯微球均匀分散在乙醇和去离子混合溶液中形成乳液，形成乳液中聚合物单分散微球的质量分数为1wt％，控制反应温度35℃，相对湿度为30％，通过重力沉降法使微球在处理后的金属基底上，经过36h以上的自组装形成蛋白石膜，得到聚苯乙烯蛋白石模板作为光子晶体正模板；
(3)制备金属铝光子晶体
(3-1)配置三氯化铝和1-乙基-3-甲基咪唑氯化物摩尔比为2:1的混合物作为电镀液，以聚苯乙烯蛋白石模板为负极，Pt片为正极，AgCl为参比电极，电沉积所施加的阴极电压为-0.5V，沉积时间为5min，反应在水氧含量均低于2ppm条件下进行恒压沉积，所得沉积物用三氟甲基磺酰基亚胺和异丙醇冲洗后，得到了填充金属铝的蛋白石模板；
(3-2)将填充了金属铝的蛋白石模板浸入甲苯中去除模板，得到反蛋白石结构的铝光子晶体。
实施例5
一种电沉积制备金属铝三维有序多孔光子晶体的方法，包括以下步骤：
(1)利用乳液聚合法，制备聚合物单分散微球
(1-1)将苯乙烯单体与甲基苯烯酸分散在去离子水中，在恒温水浴中，控制温度为80℃搅拌预热20min；
(1-2)逐滴加入过硫酸钾引发剂，控制温度为80℃恒温搅拌反应10h，得到聚苯乙烯微球溶胶；
(1-3)离心清洗聚苯乙烯溶胶，得到粒径100nm的单分散聚苯乙烯微球；
(2)制备聚苯乙烯蛋白石模板
(2-1)将纯铜片浸泡在浓度为5wt％稀硫酸溶液中，再分别用丙酮、乙醇、异丙醇清洗，氮气吹干；
(2-2)将聚苯乙烯微球均匀分散在乙醇和去离子混合溶液中形成乳液，形成乳液中聚合物单分散微球的质量分数为5wt％，控制反应温度65℃，相对湿度为50％，通过重力沉降法使微球在处理后的金属基底上经过36h以上的自组装形成蛋白石膜，得到聚苯乙烯蛋白石模板作为光子晶体正模板；
(3)制备金属铝光子晶体
(3-1)配置三氯化铝和1-乙基-3-甲基咪唑氯化物摩尔比为3:2的混合物作为电镀液，以聚苯乙烯蛋白石模板为负极，Pt片为正极，AgCl为参比电极，电沉积所施加的阴极电压为-0.8V，沉积时间为11min，反应在水氧含量均低于2ppm条件下进行恒压沉积，所得沉积物用三氟甲基磺酰基亚胺和异丙醇冲洗后，得到了填充金属铝的蛋白石模板；
(3-2)将填充了金属铝的蛋白石模板浸入四氢呋喃中去除模板，得到反蛋白石结构的铝光子晶体。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种电沉积制备金属铝三维有序多孔光子晶体的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)利用乳液聚合法，制备聚合物单分散微球
(1-1)将苯乙烯单体与甲基苯烯酸分散在去离子水中，在恒温水浴中搅拌预热；
(1-2)逐滴加入过硫酸钾引发剂，恒温搅拌反应，得到聚苯乙烯微球溶胶；
(1-3)离心清洗聚苯乙烯溶胶，得到单分散聚苯乙烯微球；
(2)制备聚苯乙烯蛋白石模板
(2-1)将金属基底浸泡在稀硫酸溶液中，再分别用丙酮、乙醇、异丙醇清洗，氮气吹干；
(2-2)将聚苯乙烯微球均匀分散在乙醇和去离子混合溶液中形成乳液，在一定温度和湿度下，通过重力沉降法使微球在处理后的金属基底上自组装蛋白石膜，得到聚苯乙烯蛋白石模板作为光子晶体正模板；
(3)制备金属铝光子晶体
(3-1)配置含有Al元素的咪唑类离子液体作为电镀液，以聚苯乙烯蛋白石模板为负极，Pt片为正极，AgCl为参比电极，在真空环境下恒压沉积一定的时间，所得沉积物用有机溶剂冲洗后，得到填充金属铝的蛋白石模板；
(3-2)将填充金属铝的蛋白石模板浸入有机溶剂中去除模板，得到反蛋白石结构的铝光子晶体。
2.根据权利要求1所述的一种电沉积制备金属铝三维有序多孔光子晶体的方法，其特征在于，步骤(1-1)中预热温度为70℃-80℃，时间为20min-30min；步骤(1-2)中搅拌反应的温度为60℃-80℃，时间为10-12h。
3.根据权利要求1所述的一种电沉积制备金属铝三维有序多孔光子晶体的方法，其特征在于，步骤(1-3)中得到粒径100nm-800nm的单分散聚苯乙烯微球。
4.根据权利要求1所述的一种电沉积制备金属铝三维有序多孔光子晶体的方法，其特征在于，步骤(2-1)中采用的金属基底为纯铜片；使用浓度为5wt％的稀硫酸作为清洗剂。
5.根据权利要求1所述的一种电沉积制备金属铝三维有序多孔光子晶体的方法，其特征在于，步骤(2-2)中形成乳液中聚合物单分散微球的质量分数为1-5wt％；自组装过程的反应温度35℃-65℃，相对湿度为30％-50％，自组装时间为36h以上。
6.根据权利要求1所述的一种电沉积制备金属铝三维有序多孔光子晶体的方法，其特征在于，步骤(3-1)中所述电镀液为三氯化铝和1-乙基-3-甲基咪唑氯化物的混合物，摩尔比为2:1或3:2。
7.根据权利要求1所述的一种电沉积制备金属铝三维有序多孔光子晶体的方法，其特征在于，步骤(3-1)中电沉积所施加的阴极电压为-0.5V～-0.8V，沉积时间为5-11min，反应在水氧含量均低于2ppm条件下进行。
8.根据权利要求1所述的一种电沉积制备金属铝三维有序多孔光子晶体的方法，其特征在于，步骤(3-1)中所述有机溶剂为三氟甲基磺酰基亚胺和异丙醇。
9.根据权利要求1所述的一种电沉积制备金属铝三维有序多孔光子晶体的方法，其特征在于，步骤(3-2)中所述有机溶剂为甲苯或四氢呋喃。
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