CN113582162B - 一种高光学吸收碳纳米材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明光学吸收领域，公开了一种高光学吸收碳纳米材料，其包括：碳黑和通过化学气相沉积法在碳黑表面生长的具有陷光能力的碳纳米墙，利用墙体之间间隙结构实现对光的吸收。本发明采用射频等离子增强化学气相沉积工艺，利用惰性气体增加等离子能量密度的方式，在还原性气体氢气的作用下将碳源气体的化学键打开，经过成核、迁移、取向和生长等过程在碳黑表面构建垂直排列的碳纳米墙，等效折射率接近1，具有很好的界面阻抗匹配，入射光几乎无反射地穿过材料表面进入墙体的间隙空间中，经过多次墙体间反射最终被吸收转换成热能，在这些物理机制共同作用下，实现在紫外‑可见光波段的高效光学吸收。
Description
技术领域
本发明属于光学材料技术领域，涉及一种高光学吸收碳纳米材料及其制备方法。
背景技术
光学吸收材料是广泛用于侦查、观测、遥感等空间光学载荷系统的功能性材料，能够有效地抑制杂散光的干扰，减少非目标光线进入检测器，提高光学系统信噪比和成像精度，实现对弱信号目标的有效观测，在空间相机、星敏感器、太空望远镜等应用领域具有重要的作用。传统的吸收涂层材料结构较为致密，涂层与空气之间存在折射率突变，它们的界面阻抗匹配程度较低，导致光在界面形成较高的反射，降低了材料的吸光能力。而自然界中几乎没有折射率小于1.3的材料，难以实现材料-空气界面的低折射率差，限制了传统吸光涂层的发展。为有效地解决这一问题，研究人员采用增加材料表面孔隙率等微结构修饰、构造的方式来降低涂层表面的等效折射率，从而最大限度地减少光线在涂层表面的反射。常见的包括用化学刻蚀法制备的表面多孔涂层，以及在多孔阳极氧化铝模板上生长制备的孔隙涂层，这些涂层孔隙网络的孔隙率可达50％左右，在一定程度上降低了其表面的等效折射率，提升了对光的捕获和吸收能力。随着空间技术的不断发展，如何设计和制备出更高孔隙率的光学吸收材料需要更进一步的探索。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是：提供一种高光学吸收碳纳米材料及其制备方法，制备出更高孔隙率的光学吸收材料。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种高光学吸收碳纳米材料，包括碳黑和通过化学气相沉积法在碳黑表面生长的具有陷光能力的碳纳米墙，利用墙体之间大量间隙结构实现对光的吸收。
其中，所述碳黑粒径为500-3000nm；所述的化学气相沉积法所用装置为管式射频-等离子增强化学气相沉积系统；所述的碳纳米墙垂直均匀生长在碳黑表面，并将碳黑包覆于内部；所述的碳纳米墙垂直高度为200-2000nm，厚度为0.3-3nm，墙体之间间隔距离为100-1500nm。所吸收光的波段为紫外-可见光波段。
值得说明的是，纳米碳黑具有很高的比表面积，且与在其表面生长的碳纳米墙同为碳材料，相容性最好，以它为基底能够生长更多更稳定的碳纳米墙，最大化地提高吸光能力。同时，与其他碳材料基底相比，由碳黑基底生长制备的光学吸收碳纳米材料为球状结构，能够实现对各角度入射光的均匀吸收。
基于上述高光学吸收碳纳米材料，其制备方法包括以下步骤：
(1)将干燥的碳黑颗粒均匀地平铺在石英舟中，并将石英舟放置于化学气相沉积系统的石英管加热区中，随后对化学气相沉积系统抽真空。
(2)在化学气相沉积系统中通入还原性气体氢气，并升温至650-800℃，在该温度下保温30-60分钟，以降低或消除碳黑表面的应力、位错和杂质等缺陷。
其中，所述氢气流量为10-100sccm。
(3)调节射频装置功率为200-800W，在保持步骤(2)的温度和氢气流量下，通入碳源气体和惰性气体，进行碳纳米墙的生长，生长时间为0.5-3小时。
其中，所述碳源气体包括但不限于甲烷、乙烷、乙炔、乙烯中的一种或多种，其流量为10-100sccm；所述惰性气体包括但不限于氩气、氮气、氦气中的一种或多种，其流量为10-100sccm。
(4)生长结束后，先关闭碳源气体，降至室温，然后再关闭氢气和惰性气体，取出样品。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的高光学吸收碳纳米材料的制备方法，采用射频等离子增强化学气相沉积工艺，利用惰性气体增加等离子能量密度的方式，在还原性气体氢气的作用下将碳源气体的化学键打开，经过成核、迁移、取向和生长等过程在碳黑表面构建垂直排列的碳纳米墙，该纳米墙厚度仅为0.3-3nm，墙体之间间隔距离为100-1500nm，墙体间自由间隙的体积分数(孔隙率)超过99％，由于大量自由间隙的存在，这种独特的垂直三维陷光结构等效折射率接近1，具有很好的界面阻抗匹配，入射光几乎无反射地穿过材料表面进入墙体的间隙空间中，经过多次墙体间反射最终被吸收转换成热能，在这些物理机制共同作用下，实现在紫外-可见光波段的高效光学吸收。
附图说明
图1是本发明的光学吸收碳纳米材料的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
实施例1：
参照图1，一种高光学吸收碳纳米材料，采用平均粒径为1000nm的碳黑为基体，通过管式射频-等离子增强化学气相沉积系统在其表面垂直生长碳纳米墙，其制备方法如下：
(1)将干燥的碳黑颗粒均匀地平铺在石英舟中,并将石英舟放置于化学气相沉积系统的石英管加热区中，随后对沉积装置抽真空。
(2)在沉积装置通入还原性气体氢气，流量为30sccm，并升温至700℃，在该温度下保温40分钟，以降低或消除碳黑表面的应力、位错和杂质等缺陷。
(3)调节射频装置功率为300W，在保持步骤(2)的温度和氢气流量下，通入30sccm甲烷和30sccm氩气，进行碳纳米墙的生长，生长时间为0.5小时。
(4)生长结束后，先关闭甲烷，降至室温，然后再关闭氢气和氩气，取出样品。
所得的光学吸收碳纳米材料由垂直碳纳米墙包覆碳黑表面构成，碳纳米墙高度为500nm，厚度为0.8nm，墙体之间间隔距离为400nm。
实施例2：
一种高光学吸收碳纳米材料，采用平均粒径为2000nm的碳黑为基体，通过管式射频-等离子增强化学气相沉积系统在其表面垂直生长碳纳米墙，其制备方法如下：
(1)将干燥的碳黑颗粒均匀地平铺在石英舟中,并将石英舟放置于化学气相沉积系统的石英管加热区中，随后对沉积装置抽真空。
(2)在沉积装置通入还原性气体氢气，流量为30sccm，并升温至700℃，在该温度下保温40分钟，以降低或消除碳黑表面的应力、位错和杂质等缺陷。
(3)调节射频装置功率为300W，在保持步骤(2)的温度和氢气流量下，通入30sccm甲烷和30sccm氩气，进行碳纳米墙的生长，生长时间为0.5小时。
(4)生长结束后，先关闭甲烷，降至室温，然后再关闭氢气和氩气，取出样品。
所得的光学吸收碳纳米材料由垂直碳纳米墙包覆碳黑表面构成，碳纳米墙高度为600nm，厚度为0.7nm，墙体之间间隔距离为450nm。
实施例3：
一种高光学吸收碳纳米材料，采用平均粒径为2000nm的碳黑为基体，通过管式射频-等离子增强化学气相沉积系统在其表面垂直生长碳纳米墙，其制备方法如下：
(1)将干燥的碳黑颗粒均匀地平铺在石英舟中,并将石英舟放置于化学气相沉积系统的石英管加热区中，随后对沉积装置抽真空。
(2)在沉积装置通入还原性气体氢气，流量为30sccm，并升温至700℃，在该温度下保温40分钟，以降低或消除碳黑表面的应力、位错和杂质等缺陷。
(3)调节射频装置功率为300W，在保持步骤(2)的温度和氢气流量下，通入30sccm甲烷和30sccm氩气，进行碳纳米墙的生长，生长时间为1小时。
(4)生长结束后，先关闭甲烷，降至室温，然后再关闭氢气和氩气，取出样品。
所得的光学吸收碳纳米材料由垂直碳纳米墙包覆碳黑表面构成，碳纳米墙高度为1100nm，厚度为1.0nm，墙体之间间隔距离为900nm。
实施例4：
一种高光学吸收碳纳米材料，采用平均粒径为2000nm的碳黑为基体，通过管式射频-等离子增强化学气相沉积系统在其表面垂直生长碳纳米墙，其制备方法如下：
(1)将干燥的碳黑颗粒均匀地平铺在石英舟中,并将石英舟放置于化学气相沉积系统的石英管加热区中，随后对沉积装置抽真空。
(2)在沉积装置通入还原性气体氢气，流量为30sccm，并升温至700℃，在该温度下保温40分钟，以降低或消除碳黑表面的应力、位错和杂质等缺陷。
(3)调节射频装置功率为300W，在保持步骤(2)的温度和氢气流量下，通入30sccm甲烷和30sccm氩气，进行碳纳米墙的生长，生长时间为2小时。
(4)生长结束后，先关闭甲烷，降至室温，然后再关闭氢气和氩气，取出样品。
所得的光学吸收碳纳米材料由垂直碳纳米墙包覆碳黑表面构成，碳纳米墙高度为1700nm，厚度为1.3nm，墙体之间间隔距离为1450nm。
实施例5：
一种高光学吸收碳纳米材料，采用平均粒径为2000nm的碳黑为基体，通过管式射频-等离子增强化学气相沉积系统在其表面垂直生长碳纳米墙，其制备方法如下：
(1)将干燥的碳黑颗粒均匀地平铺在石英舟中,并将石英舟放置于化学气相沉积系统的石英管加热区中，随后对沉积装置抽真空。
(2)在沉积装置通入还原性气体氢气，流量为50sccm，并升温至700℃，在该温度下保温40分钟，以降低或消除碳黑表面的应力、位错和杂质等缺陷。
(3)调节射频装置功率为300W，在保持步骤(2)的温度和氢气流量下，通入50sccm甲烷和50sccm氩气，进行碳纳米墙的生长，生长时间为1小时。
(4)生长结束后，先关闭甲烷，降至室温，然后再关闭氢气和氩气，取出样品。
所得的光学吸收碳纳米材料由垂直碳纳米墙包覆碳黑表面构成，碳纳米墙高度为1500nm，厚度为1.2nm，墙体之间间隔距离为1200nm。
由上述技术方案可以看出，本发明采用射频等离子增强化学气相沉积工艺，利用惰性气体增加等离子能量密度的方式，在还原性气体氢气的作用下将碳源气体的化学键打开，经过成核、迁移、取向和生长等过程在碳黑表面构建垂直排列的碳纳米墙，该纳米墙厚度仅为0.3-3nm，墙体之间间隔距离为100-1500nm，墙体间自由间隙的体积分数(孔隙率)超过99％，由于大量自由间隙的存在，这种独特的垂直三维陷光结构等效折射率接近1，具有很好的界面阻抗匹配，入射光几乎无反射地穿过材料表面进入墙体的间隙空间中，经过多次墙体间反射最终被吸收转换成热能，在这些物理机制共同作用下，实现在紫外-可见光波段的高效光学吸收。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种高光学吸收碳纳米材料，其特征在于，包括：碳黑和通过化学气相沉积法在碳黑表面生长的具有陷光能力的碳纳米墙，利用墙体之间间隙结构实现对光的吸收；
所述碳黑粒径为1000-3000nm；
所述的化学气相沉积法所用装置为管式射频-等离子增强化学气相沉积系统；
所述的碳纳米墙垂直均匀生长在碳黑表面，并将碳黑包覆于内部；所述的碳纳米墙垂直高度为200-2000nm，厚度为0.3-3nm，墙体之间间隔距离为100-1500nm。
2.一种基于权利要求1所述高光学吸收碳纳米材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将干燥的碳黑颗粒均匀地平铺在石英舟中，并将石英舟放置于化学气相沉积系统的石英管加热区中，随后对化学气相沉积系统抽真空；
S2：在化学气相沉积系统中通入还原性气体氢气，氢气流量为10-100sccm，并升温至650-800℃，在该温度下保温30-60分钟；
S3：调节射频装置功率为200-800W，在保持步骤S2的温度和氢气流量下，通入碳源气体和惰性气体，进行碳纳米墙的生长，生长时间为0.5-3小时；
S4：生长结束后，先关闭碳源气体，降至室温，然后再关闭氢气和惰性气体，取出样品。
3.如权利要求2所述的高光学吸收碳纳米材料制备方法，其特征在于，步骤S3中，碳源气体为甲烷、乙烷、乙炔、乙烯中的一种或多种，其流量为10-100sccm；惰性气体为氩气、氮气、氦气中的一种或多种，其流量为10-100sccm。
4.如权利要求3所述的高光学吸收碳纳米材料制备方法，其特征在于，
步骤S1中，将干燥的碳黑颗粒均匀地平铺在石英舟中,并将石英舟放置于化学气相沉积系统的石英管加热区中，随后对沉积装置抽真空，碳黑平均粒径为1000nm；
步骤S2中，在沉积装置通入还原性气体氢气，流量为30sccm，并升温至700℃，在该温度下保温40分钟；
步骤S3中，调节射频装置功率为300W，在保持步骤S2的温度和氢气流量下，通入30sccm甲烷和30sccm氩气，进行碳纳米墙的生长，生长时间为0.5小时。
步骤S4中，生长结束后，先关闭甲烷，降至室温，然后再关闭氢气和氩气，取出样品。
5.如权利要求3所述的高光学吸收碳纳米材料制备方法，其特征在于，
步骤S1中，将干燥的碳黑颗粒均匀地平铺在石英舟中,并将石英舟放置于化学气相沉积系统的石英管加热区中，随后对沉积装置抽真空，碳黑平均粒径为2000nm；
步骤S2中，在沉积装置通入还原性气体氢气，流量为30sccm，并升温至700℃，在该温度下保温40分钟；
步骤S3中，调节射频装置功率为300W，在保持步骤S2的温度和氢气流量下，通入30sccm甲烷和30sccm氩气，进行碳纳米墙的生长，生长时间为0.5小时；
步骤S4中，生长结束后，先关闭甲烷，降至室温，然后再关闭氢气和氩气，取出样品。
6.如权利要求3所述的高光学吸收碳纳米材料制备方法，其特征在于，
步骤S1中，将干燥的碳黑颗粒均匀地平铺在石英舟中,并将石英舟放置于化学气相沉积系统的石英管加热区中，随后对沉积装置抽真空，碳黑平均粒径为2000nm；
步骤S2中，在沉积装置通入还原性气体氢气，流量为30sccm，并升温至700℃，在该温度下保温40分钟；
步骤S3中，调节射频装置功率为300W，在保持步骤S2的温度和氢气流量下，通入30sccm甲烷和30sccm氩气，进行碳纳米墙的生长，生长时间为1小时；
步骤S4中，生长结束后，先关闭甲烷，降至室温，然后再关闭氢气和氩气，取出样品。
7.如权利要求3所述的高光学吸收碳纳米材料制备方法，其特征在于，
步骤S1中，将干燥的碳黑颗粒均匀地平铺在石英舟中,并将石英舟放置于化学气相沉积系统的石英管加热区中，随后对沉积装置抽真空，碳黑平均粒径为2000nm；
步骤S2中，在沉积装置通入还原性气体氢气，流量为30sccm，并升温至700℃，在该温度下保温40分钟；
步骤S3中，调节射频装置功率为300W，在保持步骤S2的温度和氢气流量下，通入30sccm甲烷和30sccm氩气，进行碳纳米墙的生长，生长时间为2小时；
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