宽紫外光吸收FeGa空心球纳米阵列材料及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种可磁场调控宽紫外光吸收性能的FeGa空心球纳米阵列材料，包括衬底、FeGa空心球阵列膜，FeGa空心球阵列膜覆盖于衬底上；所述FeGa空心球阵列膜由多个FeGa空心球单层紧密排列为蜂巢形阵列；所述FeGa空心球的直径为500～1000nm，壁厚为20～120nm。本发明将FeGa材料做成金属光子晶体，可通过外加磁场，利用FeGa良好的磁滞伸缩性能来调控材料的形态结构，能够实现进一步调控材料的光学方面性能。本发明还公开了一种FeGa空心球纳米阵列材料的制备方法。
【专利说明】宽紫外光吸收FeGa空心球纳米阵列材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种纳米材料，具体涉及一种可磁场调控宽紫外光吸收性能的FeGa空心球纳米阵列材料。本发明还涉及一种可磁场调控宽紫外光吸收性能的FeGa空心球纳米阵列材料的制备方法。
【背景技术】
[0002]光子晶体是一种介质在另一种介质中周期排列所组成的人造晶体，折射率的周期变化形成光学能带，使一定能量的落入其中的光子不能传播，形成光子禁带，并且自发辐射受到抑制。通过设计光子晶体结构，将频率处于禁带的光局域在周期性结构中，从而实现对光的调控。
[0003]金属光子晶体即把光子晶体中周期性排列的电介质单元换成金属，可以是纳米孔、柱等周期性结构。由于金属是负介电常数的介质，因此光波不能在其内部传播。金属与光波产生表面等离子体共振，沿着金属和介质界面传播的电子波将使金属表面产生很强的增强场。表面等离子共振与波导模式发生强烈的耦合作用，将产生增透现象并发现了一些特殊的光学技术，在光电子器件方面具有重要的应用。
[0004]然而，传统的金属光子晶体材料，结构形成后往往无法再进行后续的调控，从而限制了金属光子晶体的应用范围。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是提供一种可磁场调控宽紫外光吸收性能的FeGa空心球纳米阵列材料，它可以通过外磁场进行调控，具有宽紫外吸收性能。
[0006]为解决上述技术问题，本发明可磁场调控宽紫外光吸收性能的FeGa空心球纳米阵列材料的技术解决方案为:
包括衬底、FeGa空心球阵列膜，FeGa空心球阵列膜覆盖于衬底上；所述FeGa空心球阵列膜由多个FeGa空心球单层紧密排列为蜂巢形阵列；所述FeGa空心球的直径为500?lOOOnm，壁厚为 20 ?120nm。
[0007]所述空心球的孔间相互连通。
[0008]本发明还提供一种可磁场调控宽紫外光吸收性能的FeGa空心球纳米阵列材料的制备方法，其技术解决方案为，包括以下步骤:
第一步、对衬底进行清洗；
当所述衬底为玻璃衬底，其第一步的清洗步骤为:
工序一、将衬底置于丙酮中超声清洗40±5分钟，然后用蒸馏水清洗多次；
工序二、将衬底置于乙醇中超声清洗40±5分钟，然后用蒸馏水清洗多次；
工序三、将衬底置于蒸馏水中超声清洗30±5分钟；
工序四、将衬底置于浓硫酸与双氧水的混合液中浸泡8±0.5小时，然后超声清洗60±5分钟，再用蒸馏水反复清洗；其中浓硫酸与双氧水的体积比为3:1 ; 工序五、将衬底置于氨水、双氧水、去离子水的混合液中超声清洗60 ± 5分钟，用蒸馏水清洗多次后置于蒸馏水中待用；衬底在蒸馏水中待用的时间不大于7天；其中氨水:双氧水:去离子水的体积比为1:1:3。
[0009]当所述衬底为硅片衬底，其第一步的清洗步骤为:
工序一、将衬底置于丙酮中超声清洗40±5分钟，然后用蒸馏水清洗多次；
工序二、将衬底置于乙醇中超声清洗40±5分钟，然后用蒸馏水清洗多次；
工序三、将衬底置于蒸馏水中超声清洗30±5分钟后置于蒸馏水中待用；衬底在蒸馏水中待用的时间不大于7天。
[0010]第二步、在衬底上合成胶体晶体模板；
采用气-液界面合成法，使胶体球附于衬底表面，形成胶体晶体模板；具体方法为:将胶体球溶液按照体积比为1:1的比例与无水乙醇混合；将胶体球溶液与无水乙醇的混合液滴到衬底表面，所述混合液在衬底边缘与去离子水发生界面作用，在表面张力的作用下，使胶体球浮于液体表面，形成规则的纳米结构膜；用衬底将其捞起，得到带有胶体晶体模板的衬底。
[0011]所述胶体球溶液为质量比10%的聚苯乙烯胶体晶体溶液；所述胶体球是直径为500?IOOOnm的聚苯乙烯胶体球。
[0012]第三步、合成FeGa空心球纳米阵列；
工序一、磁控溅射FeGa膜；
将第二步合成的带有胶体晶体模板的衬底置于高真空磁控溅射镀膜机中；将FeGa合金靶材放置于磁控溅射靶位，抽真空，进行溅射镀膜，从而在带有胶体晶体模板的衬底上合成FeGa膜；
所述溅射镀膜的溅射功率为70±5瓦，预溅射时间1000±50秒，溅射时间1500?5000秒。
[0013]所述FeGa合金靶材中Fe =Ga的原子比为1:1。
[0014]工序二、去除胶体晶体模板；
将工序一所合成的FeGa膜浸入到二氯甲烷中，使胶体球溶于二氯甲烷，得到去除胶体球后的FeGa空心球阵列。
[0015]本发明可以达到的技术效果是:
由于FeGa合金具有较大的磁致伸缩系数,饱和磁致伸缩系数大于300ppm,且FeGa合金的饱和磁场很小，机械强度高，其抗压强度大于lOOMPa，抗拉强度大于300MPa，因此具有良好的延展性；本发明将FeGa材料做成金属光子晶体,可通过外加磁场,利用FeGa良好的磁滞伸缩性能来调控材料的形态结构，能够实现进一步调控材料的光学方面性能，在微纳器件应用方面具有重要的意义。
[0016]本发明所制备的FeGa空心球纳米阵列材料适用面广。
[0017]本发明制备简便。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明:
图1是采用本发明FeGa空心球纳米阵列材料的制备方法制备得出的直径为I微米的FeGa空心球纳米阵列材料，利用场发射扫描电镜(JEOL JSM-6700 F型)得到的侧面扫描电镜照片；空心球直径为I微米，平均厚度约60纳米，空心球的底部存在小孔，表明其内部是空心的；
图2是采用本发明制备得出的直径为500纳米的FeGa空心球纳米阵列材料，利用场发射扫描电镜(JEOL JSM-6700 F型)得到的侧面扫描电镜照片；空心球直径为500纳米；
图3是利用Hitachi UV4100型紫外-可见光谱仪对直径为I微米的FeGa空心球纳米阵列材料进行光吸收测试的结果；其中，纵坐标为相对强度，横坐标为光波长；光吸收测试结果表明，FeGa阵列膜在200?400 nm具有很强的宽紫外吸收性能，同时外加磁场能有效改变FeGa阵列膜紫外光吸收性能；
图4是利用Hitachi UV4100型紫外-可见光谱仪对直径为500纳米的FeGa空心球纳米阵列材料进行光吸收测试的结果。
【具体实施方式】
[0019]本发明可磁场调控宽紫外光吸收性能的FeGa空心球纳米阵列材料，包括衬底、FeGa空心球阵列膜，FeGa空心球阵列膜覆盖于衬底上；FeGa空心球阵列膜由多个FeGa空心球单层紧密排列为呈蜂巢形的六方阵列，空心球的孔间相互连通；
FeGa空心球的直径为500?1000 nm, FeGa空心球的球壳平均壁厚为20?120nm ； 衬底可以是玻璃衬底或单晶硅片衬底。
[0020]本发明可磁场调控宽紫外光吸收性能的FeGa空心球纳米阵列材料的制备方法，包括以下步骤:
第一步、对衬底进行清洗；
玻璃衬底的清洗步骤为:
工序一、将衬底置于丙酮中超声清洗40分钟，然后用蒸馏水清洗多次；
工序二、将衬底置于乙醇中超声清洗40分钟，然后用蒸馏水清洗多次；
工序三、将衬底置于蒸馏水中超声清洗30分钟；
工序四、将衬底置于浓硫酸与双氧水的混合液(浓硫酸与H2O2的体积比为3:1)中浸泡8小时，然后超声清洗60分钟，再用蒸馏水反复清洗；
工序五、将衬底置于氨水、双氧水、去离子水(氨水:双氧水:去离子水的体积比为I: 1:3)的混合液中超声清洗60分钟，用蒸馏水清洗多次后置于蒸馏水中待用；衬底在蒸馏水中待用的时间不大于7天。
[0021]硅衬底的清洗步骤为:
工序一、将衬底置于丙酮中超声清洗40分钟，然后用蒸馏水清洗多次；
工序二、将衬底置于乙醇中超声清洗40分钟，然后用蒸馏水清洗多次；
工序三、将衬底置于蒸馏水中超声清洗30分钟后置于蒸馏水中待用；衬底在蒸馏水中待用的时间不大于7天。
[0022]第二步、在衬底上合成胶体晶体模板；
采用气-液界面合成法，使胶体球附于衬底表面，形成胶体晶体模板；具体方法为:
取10微升胶体球溶液(质量比10%的聚苯乙烯胶体晶体溶液)，将其按照体积比1:1比例与无水乙醇混合；取一干净的培养皿，再取一经过清洗的衬底静置于培养皿中；
在培养皿中加入去离子水，使水面微高于衬底边缘；
通过移液器将胶体球溶液与无水乙醇的混合液滴到衬底表面，混合液在衬底边缘与去离子水发生界面作用，在表面张力的作用下，使胶体球浮于液体表面，形成规则的纳米结构膜；
在培养皿中再次加入去离子水，将膜面抬高，再用衬底如玻璃片或硅片将其捞起，得到带有胶体晶体模板的衬底；该胶体晶体模板为具有分离形式的聚苯乙烯胶体微球阵列。
[0023]胶体球可以通过现有技术制得或从市场购得；胶体球可以是直径为500~1000nm的聚苯乙烯胶体球；
第三步、合成FeGa空心球纳米阵列；
工序一、磁控溅射FeGa膜；
将第二步合成的带有胶体晶体模板的衬底置于高真空磁控溅射镀膜机中进行溅射镀膜；所选用的靶材为高纯度FeGa合金靶材，其纯度为99.99%，Fe =Ga的原子比为1:1 ；
将FeGa溅射靶材放置于磁控溅射靶位，抽真空，至高真空磁控溅射镀膜机的真空炉内的真空度达到10_5~10_6 Pa时，注入氩气并使气压维持6毫托，进行溅射镀膜，从而在带有胶体晶体模板的衬底上合成FeGa材料；
溅射功率为70瓦，预溅射时间1000秒，溅射时间1 500~5000秒；
工序二、去除胶体晶体模板；
将工序一所合成的FeGa材料浸入到二氯甲烷中，浸没I分钟，使聚苯乙烯胶体球溶于二氯甲烷；然后，可以在丙酮中浸泡I分钟，将二氯甲烷溶剂中的一些微量残留物去除?’最后取出后在室温下烘干，得到去除聚苯乙烯胶体球后的FeGa空心球阵列，即。
[0024]实施例1:
合成直径为I微米的FeGa空心球阵列膜:
1、取10微升直径为I微米的聚苯乙烯胶体球与10微升无水乙醇溶液混合，在培养皿中利用气-液界面合成法合成胶体晶体模板，用硅片将其捞起，多余的水分用滤纸吸掉；
2、将胶体晶体模板置于真空室进行溅射镀膜，抽真空至10_5Pa，冲入高纯氩气维持6毫托，溅射功率70瓦，预溅射1000秒，溅射5000秒；
3、将样品取出浸入到二氯甲烷中，浸没I分钟，再在丙酮中浸泡I分钟，制得形貌如图1所示，紫外光吸收性能如图3所示。
[0025]实施例2:
合成直径为500nm的FeGa空心球阵列膜:
1、取10微升直径为500nm的聚苯乙烯胶体球与无水乙醇按照1:1比例混合，在培养皿中利用气-液界面合成法合成胶体晶体模板，用硅片将其捞起；
2、将胶体晶体模板置于真空室进行溅射镀膜，抽真空至10_5Pa，冲入氩气维持6毫托，溅射功率70瓦，预溅射1000秒，溅射1500秒；
3、将样品取出浸入到二氯甲烷中，浸没I分钟，再在丙酮中浸泡I分钟，制得形貌如图2所示，紫外光吸收性能如图4所示。
[0026]制得的样品其在紫外，尤其是200~400纳米区间，出现强的紫外吸收。此外，紫外吸收系数从0.73~0.95可通过外加磁场来进行调控。[0027]对本发明所制得的FeGa空心球纳米阵列材料分别使用场发射扫描电子显微镜和X-射线光电子能谱仪进行观察与测试后，从得到的扫描电镜照片和X-射线光电子能谱图以及测试结果可知，样品为FeGa空心球阵列，空心球直径为0.5?I微米，球壳厚度为20?120 nm。
[0028]对本发明所制得的FeGa空心球纳米阵列材料的磁滞回线进行测量，测量结果显示了良好的室温铁磁性，矫顽力约为2000e，饱和场约为30000e。
[0029]对本发明所制得的FeGa空心球纳米阵列材料在不同磁场下的光吸收性能进行测量，在零场下的测量结果显示在紫外区域存在明显的较宽范围的光吸收，而随着磁场的增力口，紫外吸收逐渐平缓并消失，磁场调控效果明显，且所需外场不大(最大约20000e)，容易实现。
[0030]对本发明所制得的FeGa空心球纳米阵列材料进行调控FeGa紫外吸收所需磁场不大，一般为几百至上千奥斯特，易于实现，为磁性器件的应用提供一条简洁而经济的途径。
[0031]本发明可合成多种材料空心球阵列，可广泛应用于纳米器件加工及多功能纳米器件制备，应用于金属光子晶体、传感器及磁光信号显示、转化和探测等领域。
[0032]显然，本领域的技术人员可以对本发明的制备方法进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
【权利要求】
1.一种可磁场调控宽紫外光吸收性能的FeGa空心球纳米阵列材料，其特征在于，包括衬底、FeGa空心球阵列膜，FeGa空心球阵列膜覆盖于衬底上； 所述FeGa空心球阵列膜由多个FeGa空心球单层紧密排列为蜂巢形阵列； 所述FeGa空心球的直径为500~lOOOnm，壁厚为20~120nm。
2.根据权利要求1所述的可磁场调控宽紫外光吸收性能的FeGa空心球纳米阵列材料的制备方法，其特征在于，所述空心球的孔间相互连通。
3.一种权利要求1所述的可磁场调控宽紫外光吸收性能的FeGa空心球纳米阵列材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: 第一步、对衬底进行清洗； 第二步、在衬底上合成胶体晶体模板； 第三步、合成FeGa空心球纳米阵列； 工序一、磁控溅射FeGa膜； 将第二步合成的带有胶体晶体模板的衬底置于高真空磁控溅射镀膜机中；将FeGa合金靶材放置于磁控溅射靶位，抽真空，进行溅射镀膜，从而在带有胶体晶体模板的衬底上合成FeGa膜； 工序二、去除胶体晶体模板； 将工序一所合成的FeGa膜浸入到二氯甲烷中，使胶体球溶于二氯甲烷，得到去除胶体球后的FeGa空心球阵列。
4.根据权利要求3所述的可磁场调控宽紫外光吸收性能的FeGa空心球纳米阵列材料的制备方法，其特征在于，所述FeGa合金靶材中Fe =Ga的原子比为1:1。
5.根据权利要求3所述的可磁场调控宽紫外光吸收性能的FeGa空心球纳米阵列材料的制备方法，其特征在于，所述第三步工序一中溅射镀膜的溅射功率为70±5瓦，预溅射时间1000 ±50秒，溅射时间1500~5000秒。
6.根据权利要求3所述的可磁场调控宽紫外光吸收性能的FeGa空心球纳米阵列材料的制备方法，其特征在于，所述衬底为玻璃衬底，其第一步的清洗步骤为: 工序一、将衬底置于丙酮中超声清洗40±5分钟，然后用蒸馏水清洗多次； 工序二、将衬底置于乙醇中超声清洗40±5分钟，然后用蒸馏水清洗多次； 工序三、将衬底置于蒸馏水中超声清洗30±5分钟； 工序四、将衬底置于浓硫酸与双氧水的混合液中浸泡8±0.5小时，然后超声清洗60±5分钟，再用蒸馏水反复清洗；其中浓硫酸与双氧水的体积比为3:1 ; 工序五、将衬底置于氨水、双氧水、去离子水的混合液中超声清洗60±5分钟，用蒸馏水清洗多次后置于蒸馏水中待用；衬底在蒸馏水中待用的时间不大于7天；其中氨水:双氧水:去离子水的体积比为1:1:3。
7.根据权利要求3所述的可磁场调控宽紫外光吸收性能的FeGa空心球纳米阵列材料的制备方法，其特征在于，所述衬底为硅片衬底，其第一步的清洗步骤为: 工序一、将衬底置于丙酮中超声清洗40±5分钟，然后用蒸馏水清洗多次； 工序二、 将衬底置于乙醇中超声清洗40±5分钟，然后用蒸馏水清洗多次； 工序三、将衬底置于蒸馏水中超声清洗30±5分钟后置于蒸馏水中待用；衬底在蒸馏水中待用的时间不大于7天。
8.根据权利要求3所述的可磁场调控宽紫外光吸收性能的FeGa空心球纳米阵列材料的制备方法，其特征在于，所述第二步的方法为:采用气-液界面合成法，使胶体球附于衬底表面，形成胶体晶体模板。
9.根据权利要求3所述的可磁场调控宽紫外光吸收性能的FeGa空心球纳米阵列材料的制备方法，其特征在于，所述第二步的具体方法为: 将胶体球溶液按照体积比为1:1的比例与无水乙醇混合； 将胶体球溶液与无水乙醇的混合液滴到衬底表面，所述混合液在衬底边缘与去离子水发生界面作用，在表面张力的作用下，使胶体球浮于液体表面，形成规则的纳米结构膜； 用衬底将其捞起，得到带有胶体晶体模板的衬底。
10.根据权利要求8或9所述的可磁场调控宽紫外光吸收性能的FeGa空心球纳米阵列材料的制备方法，其特征在于，所述胶 体球溶液为质量比10%的聚苯乙烯胶体晶体溶液；所述胶体球是直径为500~1000nm的聚苯乙烯胶体球。
【文档编号】B22F1/00GK103769577SQ201410011134
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2014年1月10日 优先权日:2014年1月10日
【发明者】李志刚, 冯尚申, 邵先亦, 陈卫平, 李艳萍, 王天乐 申请人:李志刚, 台州学院