专利名称：一种基于生物模板制备磁性的光子晶体的方法
一种基于生物模板制备磁性的光子晶体的方法技术领域
本发明属于材料科学领域，尤其是涉及一种具有蝴蝶翅膀光子晶体结构的磁光材料的制备方法，具体地说，涉及的是一种在生物模板上，利用二次烧结的方法材料制备磁性光子晶体的方法。
背景技术：
在磁场的作用下，物质的电磁特性(如磁导率、磁化强度、磁畴结构等)会发生变化，使光波在其内部的传输特性(如偏振状态、光强、相位、传输方向等)也随之发生变化的现象称为磁光效应。磁光效应包括法拉第效应、克尔效应、塞曼效应、磁致双折射效应以及后来发现的磁圆振二向色性、磁线振二向色性、磁激发光散射、磁场光吸收、磁离子体效应和光磁效应等。
利用克尔磁光效应的磁光存储，利用偏振光通过磁光介质发生偏振面旋转来调制光束的磁光调制器，通过外加磁场的改变来改变磁光晶体对入射偏振光偏振面的作用，从而达到切换光路的效果的磁光开关。磁性光子晶体调控电磁波的特性使其具有广泛的应用前景。
而如何制备磁性光子晶体材料是首要解决的问题。经对现有技术文献的检索发现，一般的方法是，将磁性的物质引入到具有光子晶体结构的材料中，Kodama T等在 《physica status solidi (b))) 凝聚态物理 于 2004 年 241 期，1597 页上报道了“Opal photonic crystals impregnated with magnetite，，( 四氧化三铁填充至Ij蛋白石光子晶体中)以3102球堆积的具有蛋白石结构的膜为模板，在其表面覆盖一层狗304，实现了 SiO2/ I^e3O4磁光响应材料的制备。houe M等在《Journal of Materials Chemistry》(〈材料化学杂志 >)上于 2006 年 16 期，678 页上报道了，“Magnetophotonic crystals-a novel magneto-optic material with artificial
periodic structures^磁性光子晶体-一种新型的磁光材料具有人工的周期性结构)，采用一层SW2 —层Bi:YIG溅射的方法制备得到了一维的磁性光子晶体，而同济大学的葛建平课题组，在《Angew. Chem. Int. Ed.》(德国应用化学)于2007年，46期，7似8页 JliIxiST "Highly Tunable Superparamagnetic Colloidal Photonic Crystals，，(可i周控的超顺磁性凝胶光子晶体)，采用水溶液的方法，让四氧化三铁的小球自组装成磁性光子晶体结构，从而在外加的磁场下得到不同结构参数的磁性光子晶体。在这些实验的制备方法中，都采用表面覆盖，或者水溶胶等方法，原因在于磁性的纳米颗粒本身的磁性相互作用力，使其很容易团聚，需要外加的力来平衡这种磁性材料自身的相互作用力。这也是为什么在理论上关于磁性光子晶体的报道已经非常之多，而实验的工作却非常的有限。由于三维磁性光子晶体的制备仍然是一项项具有挑战性的工作，这就极大地限制了磁光器件的理论研究与应用。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以自然界中的天然光子晶体，蝴蝶翅膀的分级精细结构作为模板，通过浸渍，溶胶凝胶的方法，利用生物化学组分的不同的化学反应性，通过表面的处理和化学改性，先制备具有蝴蝶翅膀光子晶体结构的狗203功能材料，进而通过人工控制H2还原的方法制备得到磁性的光子晶体!^e3O4 功能材料。本发明创造性的利用了二次烧结技术，合成具有光子晶体结构的磁性材料，这种磁性光子晶体结构极大的提高了对磁-光的响应，因而在磁光通讯器件领域有广泛的应用前景。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现
一种基于生物模板制备磁性的光子晶体的方法，包括以下步骤
第一步选用具有光子晶体结构的生物材料为模板，对其进行表面预处理；
第二步配置前躯体金属盐溶胶凝胶溶液，浓度为0. lmol/L lmol/L，加热搅拌；
第三步将处理好的生物模板放入配制好的前躯体溶液浸渍处理；
第四步浸渍结束后，取出样品，用蒸馏水冲洗、干燥，焙烧去掉生物模板，就得到保持生物模板光子晶体结构的三氧化二铁功能材料；
第五步在氢氩混合气体的气氛下烧结还原处理得到磁性光子晶体四氧化三铁分级结构。
所述的生物材料为蝴蝶翅膀、孔雀羽毛、鹦鹉羽毛或海老鼠毛的具有光子晶体结构的生物材料，采用醋酸溶液对生物模板表面进行表面预处理处理。
前躯体的溶质为铁、钴、镍的氯化物、硝酸盐或硫酸盐。
前躯体的溶剂为水、乙醇、甘油或其混合物。
所述的焙烧，其温度为450°C -800°C，保温时间为1_6小时。
所述的还原烧结，其温度为300°C _500°C，保温时间为3-12小时。
所述的氢氩混合气体中，氢气的体积浓度比为5 20%。
本发明以自然界中的具有光子晶体结构的生物材料作为模板，利用浸渍处理以及一系列的化学反应实现了磁性光子晶体的制备，创造了一种快速，简单，有效，环保的制备特殊功能新材料的方法。所制备的材料完整的保留了生物模板的精细三维光子晶体结构， 极大的提高了对磁-光的响应性能。通过选用不同的生物模板，可以制备得到多样结构的磁-光有响应的磁性材料，由其制得的磁光器件将在磁光存储和通讯等领域出现广阔的应用前景。
与现有的技术相比，本发明具有实质性特点和显著进步，不需要借助表面覆盖，或者水凝胶溶液等外加的作用力来平衡磁性材料本身的相互作用力以实现磁性光子晶体的制备。且工艺简单，可控性好。合成的磁性材料完整的保留了生物模板的光子晶体结构。
图1为是利用生物模板二次烧结技术合成的磁性光子晶体的三维立体显微镜图。
图2是利用生物模板二次烧结技术合成的磁性光子晶体的扫描电镜图。
图3是利用生物模板二次烧结技术合成的磁性光子晶体的磁滞回线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
第一步，将蝴蝶翅膀放入40wt% CH3COOH溶液中4小时后，以溶去烧结不易除去的矿物质，然后，用蒸馏水冲洗，干燥备用。
第二步，前躯体溶液的配制。？化13溶液的配制方案在热水浴的条件下，配置浓度为0. lmol/L的氯化铁乙醇溶液。
第三步，将处理好的蝴蝶翅膀放入配置好的前躯体溶液中浸泡12小时
第四步，浸泡结束后，取出样品，用蒸馏水冲洗，然后放入烘箱中50°C温度范围内干燥10个小时。干燥后，在450°C温度下烧结去掉生物模板，得到具有生物模板光子晶体结构的三氧化二铁功能材料；
第五步，上述产物再进一步在氢气浓度为20%的氢氩混合气体400°C烧结得到具有光子晶体结构的磁性四氧化三铁材料。制备得到的磁性光子晶体材料保留了原始蝴蝶翅膀的分级多孔形态结构。并具有磁学和光学的响应。
图1是利用生物模板二次烧结技术合成的磁性光子晶体的三维立体显微镜图。从图中可以看出制备得到四氧化三铁具有生物模板光子晶体结构，并呈现出金属彩虹色。
图2是利用生物模板二次烧结技术合成的磁性光子晶体的扫描电镜图。从图中可以看出制备的四氧化三铁保留了生物模板三维的光子晶体结构，以及脊上的精细结构。
图3是利用生物模板二次烧结技术合成的磁性光子晶体的磁滞回线。从图中可以看出制备得到的四氧化三铁具有磁学性能。
实施例2
第一步，将蝴蝶翅膀放入40wt% CH3COOH溶液中4小时后，以溶去烧结不易除去的矿物质，然后，用蒸馏水冲洗，干燥备用。
第二步，前躯体溶液的配制。FeCl3溶液的配制方案在热水浴的条件下，配置浓度为0. lmol/L的氯化铁乙醇溶液。
第三步，将处理好的蝴蝶翅膀放入配置好的前躯体溶液中浸泡20小时
第四步，浸泡结束后，取出样品，用蒸馏水冲洗，然后放入烘箱中60°C温度范围内干燥10个小时。干燥后，在500°C温度下烧结去掉生物模板，得到具有生物模板光子晶体结构的三氧化二铁功能材料；
第五步，上述产物再进一步在氢气浓度为10%的氢氩混合气体下450°C烧结得到具有光子晶体结构的磁性四氧化三铁材料。扫描和透射电镜的分析表明，制备得到的磁性光子晶体材料保留了原始蝴蝶翅膀的分级多孔形态结构。磁滞回线的分析表明，制备材料的饱和磁化率为3kmu/g，具有磁性，反射光谱分析表明，制备材料具有结构色。
实施例3
第一步，将蝴蝶翅膀放入40wt% CH3COOH溶液中4小时后，以溶去烧结不易除去的矿物质，然后，用蒸馏水冲洗，干燥备用。
第二步，前躯体溶液的配制。？化13溶液的配制方案在热水浴的条件下，配置浓度为lmol/L的氯化铁乙醇溶液。
第三步，将处理好的蝴蝶翅膀放入配置好的前躯体溶液中浸泡48小时
第四步，浸泡结束后，取出样品，用蒸馏水冲洗，然后放入烘箱中80°C温度范围内干燥10个小时。干燥后，在800°C温度下烧结去掉生物模板，得到具有生物模板光子晶体结构的三氧化二铁功能材料；
第五步，上述产物再进一步在氢气浓度为5%的氢氩混合气体下500°C烧结，保温 12小时，得到具有光子晶体结构的磁性四氧化三铁材料。扫描和透射电镜的分析表明，制备得到的磁性光子晶体材料保留了原始蝴蝶翅膀的分级多孔形态结构。磁滞回线的分析表明，制备材料的饱和磁化率为40emu/g，具有磁性，反射光谱分析表明，制备材料具有结构色。
权利要求
1.一种基于生物模板制备磁性的光子晶体的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤第一步选用具有光子晶体结构的生物材料为模板，对其进行表面预处理； 第二步配置前躯体金属盐溶胶凝胶溶液，浓度为0. lmol/L lmol/L，加热搅拌； 第三步将处理好的生物模板放入配制好的前躯体溶液浸渍处理； 第四步浸渍结束后，取出样品，用蒸馏水冲洗、干燥，焙烧去掉生物模板，就得到保持生物模板光子晶体结构的三氧化二铁功能材料；第五步在氢氩混合气体的气氛下烧结还原处理得到磁性光子晶体四氧化三铁分级结构。
2.根据权利要求1所述的一种基于生物模板制备磁性的光子晶体的方法，其特征在于，所述的生物材料为蝴蝶翅膀、孔雀羽毛、鹦鹉羽毛或海老鼠毛的具有光子晶体结构的生物材料，采用醋酸溶液对生物模板表面进行表面预处理处理。
3.根据权利要求1所述的一种基于生物模板制备磁性的光子晶体的方法，其特征在于，前躯体的溶质为铁、钴、镍的氯化物、硝酸盐或硫酸盐。
4.根据权利要求1所述的一种基于生物模板制备磁性的光子晶体的方法，其特征在于，前躯体的溶剂为水、乙醇、甘油或其混合物。
5.根据权利要求1所述的一种基于生物模板制备磁性的光子晶体的方法，其特征在于，所述的焙烧，其温度为450°C _800°C，保温时间为1-6小时。
6.根据权利要求1所述的一种基于生物模板制备磁性的光子晶体的方法，其特征在于，所述的还原烧结，其温度为300°C _500°C，保温时间为3-12小时。
7.根据权利要求1所述的一种基于生物模板制备磁性的光子晶体的方法，其特征在于，所述的氢氩混合气体中，氢气的体积浓度比为5 20%。
全文摘要
本发明涉及一种基于生物模板制备磁性的光子晶体的方法，属于材料科学领域，包括以下几个步骤步骤一，对生物模板进行表面预处理；步骤二，配制前躯体金属溶胶凝胶溶液；步骤三，将处理好的生物模板放入配置好的前躯体溶液中浸渍处理；步骤四，浸渍结束后，取出样品，用蒸馏水冲洗，干燥，焙烧去掉生物模板，就得到保持光子晶体结构的三氧化二铁材料；步骤五，再经过进一步的在氢氩混合气体中烧结还原，得到保持光子晶体结构的磁性四氧化三铁材料。与现有技术相比，本发明制备的具有天然光子晶体结构的磁性材料对磁-光有很好的响应，因而在磁光通讯器件领域有潜在的应用前景。
文档编号C01G49/08GK102515282SQ20111040691
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月8日 优先权日2011年12月8日
发明者姚帆, 张荻, 彭文红, 朱申敏, 殷超 申请人:上海交通大学