阳极氧化铝光子晶体的制备方法和用途
【专利摘要】本发明公开了一种阳极氧化铝光子晶体的制备方法和用途。制备方法为先将铝片置于浓度为0.2～0.4mo1/L的草酸溶液中，于38～42V的直流电压下阳极氧化至少2.5h，再将其置于58～62℃下的磷铬酸混合溶液中浸泡至少4h，得到中间产物，接着，将中间产物置于温度为12～20℃、浓度为0.2～0.4mol/L的恒温草酸溶液中，于周期性非对称电压下阳极氧化90～110个周期，其中，周期性非对称电压的波形为，电压先于28～32s期间按照正弦波规律自21～25V升高至51～55V、再于170～190s期间由51～55V线性降低到21～25y，自第二个周期开始每个周期的电压波形均在前一周期电压波形的基础上向上平移0.01～0.09V，制得由主干层和分叉层叠加成的阳极氧化铝光子晶体。该光子晶体可用于测量乙醇气体的浓度。
【专利说明】阳极氧化铝光子晶体的制备方法和用途
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种光子晶体的制备方法和用途，尤其是一种阳极氧化铝光子晶体的制备方法和用途。
【背景技术】
[0002]氧化铝模板因其独特的结构和良好的化学稳定性，已成为了一种理想的模板材料和光子晶体。通过向模板的纳米孔中沉积各种金属、合金、半导体、导电聚合物等，可制备出各种准一维的纳米材料。利用氧化铝模板在可见光以及近红外波段均为光透过的特性，可将其作为光子晶体使用。近期，人们为了获得氧化铝模板，做出了各种努力，如在2011年9月21日公布的中国发明专利申请文件CN 102191528A中披露的“一种具有鲜艳色彩和不同图案的Co纳米管与氧化铝复合薄膜的制备方法”。该申请文件中提及的氧化铝模板的制备方法是将经退火的铝片清洗、抛光后，置于草酸溶液中进行二次阳极氧化，其中，第二次阳极氧化为通过调节阶梯降压过程中氧化电压的变化速率来控制氧化铝模板孔道的形貌和尺寸，进而达到控制Co纳米管与氧化铝复合薄膜颜色的目的。但是，使用这种制备方法得到的氧化铝模板虽可作为模板及用于改变氧化铝复合薄膜的图案和颜色之用，却因其内部结构上的梯度变化而造成了带隙宽度较大，且不够完美，阻碍了将其作为光子晶体来进行精确光学传感的测量。
【发明内容】
[0003]本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的不足之处，提供一种具有合适带隙宽度的阳极氧化铝光子晶体的制备方法。
[0004]本发明要解决的另一个技术问题为提供一种使用上述阳极氧化铝光子晶体的制备方法制备的阳极氧化铝光子晶体的用途。
[0005]为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为:阳极氧化铝光子晶体的制备方法采用二次阳极氧化法，特别是完成步骤如下:
[0006]步骤I，先将铝片置于浓度为0.2~0.4mol/L的草酸溶液中，于38~42V的直流电压下阳极氧化至少2.5h，再将其置于58~62°C下的磷铬酸混合溶液中浸泡至少4h，得到中间产物；
[0007]步骤2，将中间产物置于温度为12~20°C、浓度为0.2~0.4mol/L的恒温草酸溶液中，于周期性非对称电压下阳极氧化90~110个周期，其中，周期性非对称电压的波形为，电压先于28~32s期间按照正弦波规律自21~25V升高至51~55V、再于170~190s期间由51~55V线性降低到21~25V，自第二个周期开始每个周期的电压波形均在前一周期电压波形的基础上向上平移0.01~0.09V，制得由主干层和分叉层叠加成的阳极氧化铝光子晶体；
[0008]其中，主干层的厚度为280~300nm，由孔直径为44~48nm的直孔道构成，分叉层的厚度为130~150nm，由孔直径为23~27nm的二分叉孔构成。[0009]作为阳极氧化铝光子晶体的制备方法的进一步改进，所述的铝片的纯度为^99.9% ;所述的在将铝片进行阳极氧化之前，先将其交替置于乙醇和丙酮中超声清洗2~3次，再用去离子水对其反复清洗后晾干，之后，将其置于真空度为10_5Pa、温度为500°C下退火5h ;所述的磷铬酸混合溶液由浓度为6wt%的磷酸和浓度为1.5wt%的铬酸配置而成；所述的先将阳极氧化铝光子晶体置于饱和氯化铜溶液中浸泡去除剩余铝，再将其置于温度为40°C、浓度为5wt%的恒温磷酸溶液中进行双向通孔。
[0010]为解决本发明的另一个技术问题，所采用的另一个技术方案为:使用上述阳极氧化铝光子晶体的制备方法制备的阳极氧化铝光子晶体的用途为，
[0011]使用紫外-可见-红外分光光度计测量吸附乙醇气体前后的阳极氧化铝光子晶体的透过谱，得到乙醇气体的浓度。
[0012]相对于现有技术的有益效果是，其一，对制得的阳极氧化铝光子晶体使用扫描电镜进行表征，由其结果可知，阳极氧化铝光子晶体为由主干层和分叉层叠加成的光子晶体，其中，主干层的厚度为280~300nm，由孔直径为44~48nm的直孔道构成，分叉层的厚度为130~150nm，由孔直径为23~27nm的二分叉孔构成。其二，对制得的阳极氧化铝光子晶体使用紫外-可见-红外分光光度计进行吸附不同浓度乙醇气体后的性能表征，由其结果可知，阳极氧化铝光子晶体的光子带隙随着乙醇气体浓度的增加产生了红移，当乙醇气体浓度从O达到饱和时，带隙能够产生66nm大的偏移量。此外，基于氧化铝材料自身的性质非常稳定，被探测物质乙醇气体也只是取代氧化铝孔道中的空气，不会对其产生物理性的破坏，故将其作为传感器时具有良好的重复性，这也是与大量的重复性实验结果相符合的。其三，制备方法科学、有效，既制得了带隙宽度合适的阳极氧化铝光子晶体，又使制得的阳极氧化铝光子晶体可用于精确的光学传感测量，还只是通过改变阳极氧化的电压波形就制得了可对乙醇气体进行浓度检测的阳极氧化铝光子晶体，更是可将制得的阳极氧化铝光子晶体用于检测其它类的有机气氛，解决了使用电学方法测量易燃易爆有机气氛时难以摆脱的安全问题。
[0013]作为有益效果的进一 步体现，一是铝片的纯度优选为>99.9%，确保了阳极氧化铝光子晶体的品质。二是优选在将铝片进行阳极氧化之前，先将其交替置于乙醇和丙酮中超声清洗2~3次，再用去离子水对其反复清洗后晾干，之后，将其置于真空度为10_5Pa、温度为500°C下退火5h，避免了杂质的引入，保证了阳极氧化铝光子晶体的纯净度。三是磷铬酸混合溶液优选由浓度为6wt%的磷酸和浓度为1.5wt%的铬酸配置而成，为获得优质的阳极氧化铝光子晶体奠定了良好的基础。四是优选先将阳极氧化铝光子晶体置于饱和氯化铜溶液中浸泡去除剩余铝，再将其置于温度为40°C、浓度为5wt%的恒温磷酸溶液中进行双向通孔，保证了阳极氧化铝光子晶体的质量。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。
[0015]图1是对制备方法制得的阳极氧化铝光子晶体的纵向剖面使用扫描电镜(SEM)进行表征的结果之一。图1中的标尺为500nm，由图1的SEM图像可看见明显的分层结构，即主干层和分叉层。图1右上角的插图为阳极氧化铝光子晶体的模拟示意图。
[0016]图2是对制备方法制得的阳极氧化铝光子晶体使用紫外-可见-红外分光光度计进行表征的结果之一。该结果显示出阳极氧化铝光子晶体的带隙中心位置在1289nm处，其半高宽约为30nm，且透过和截止差大；阳极氧化铝光子晶体的带隙外透过率为90%左右，带内透过率为接近O。
[0017]图3是将制备方法制得的阳极氧化铝光子晶体置于不同浓度的乙醇气体中后，使用紫外-可见-红外分光光度计进行表征的结果之一。图3中的曲线I~6分别为阳极氧化招光子晶体位于乙醇气体的浓度分别为0mmol/L、2.50mmol/L、5.00mmol/L、7.49mmol/L、
9.99mmol/L及饱和气氛下时的谱线，由其可见，阳极氧化铝光子晶体的带隙随着乙醇气体浓度的变化产生了明显的红移。
[0018]图4是将制备方法制得的阳极氧化铝光子晶体作为测量乙醇气体浓度的传感器，使用紫外-可见-红外分光光度计对其进行重复性能表征的结果之一。由图4可见，阳极氧化铝光子晶体作为测量乙醇气体浓度的传感器，其重复性非常的好。
【具体实施方式】
[0019]首先从市场购得或用常规方法制得:
[0020]纯度≥99.9%的铝片；草酸溶液；由浓度为6wt%的磷酸和浓度为1.5wt%的铬酸配置而成的磷铬酸混合溶液；饱和氯化铜溶液。
[0021]在将铝片进行阳极氧化之前，先将其交替置于乙醇和丙酮中超声清洗2~3次，再用去离子水对其反复清洗后晾干，之后，将其置于真空度为10_5Pa、温度为500°C下退火5h。
[0022]接着，
[0023]实施例1
[0024]步骤1，先将铝片置于浓度为0.2mol/L的草酸溶液中，于38V的直流电压下阳极氧化3.5h。再将其置于58°C下的磷铬酸混合溶液中浸泡5h，得到中间产物。
[0025]步骤2，将中间产物置于温度为12°C、浓度为0.2mol/L的恒温草酸溶液中，于周期性非对称电压下阳极氧化90个周期；其中，周期性非对称电压的波形为，电压先于288期间按照正弦波规律自21V升高至51V、再于170s期间由51V线性降低到21V，自第二个周期开始每个周期的电压波形均在前一周期电压波形的基础上向上平移0.01V。制得近似于图1所示，以及如图2中的曲线所示的由主干层和分叉层叠加成的阳极氧化铝光子晶体。
[0026]实施例2
[0027]步骤1，先将铝片置于浓度为0.25mol/L的草酸溶液中，于39V的直流电压下阳极氧化3.3h。再将其置于59°C下的磷铬酸混合溶液中浸泡4.8h，得到中间产物。
[0028]步骤2，将中间产物置于温度为14°C、浓度为0.25mol/L的恒温草酸溶液中，于周期性非对称电压下阳极氧化95个周期；其中，周期性非对称电压的波形为，电压先于29s期间按照正弦波规律自22V升高至52V、再于175s期间由52V线性降低到22V，自第二个周期开始每个周期的电压波形均在前一周期电压波形的基础上向上平移0.03V。制得近似于图1所示，以及如图2中的曲线所示的由主干层和分叉层叠加成的阳极氧化铝光子晶体。
[0029]实施例3
[0030]步骤I，先将铝片置于浓度为0.3mol/L的草酸溶液中，于40V的直流电压下阳极氧化3h。再将其置于60°C下的磷铬酸混合溶液中浸泡4.5h，得到中间产物。
[0031]步骤2，将中间产物置于温度为16°C、浓度为0.3mol/L的恒温草酸溶液中，于周期性非对称电压下阳极氧化100个周期；其中，周期性非对称电压的波形为，电压先于30s期间按照正弦波规律自23V升高至53V、再于180s期间由53V线性降低到23V，自第二个周期开始每个周期的电压波形均在前一周期电压波形的基础上向上平移0.05V。制得如图1所示，以及如图2中的曲线所示的由主干层和分叉层叠加成的阳极氧化铝光子晶体。
[0032]实施例4
[0033]步骤1，先将铝片置于浓度为0.35mol/L的草酸溶液中，于41V的直流电压下阳极氧化2.8h。再将其置于61°C下的磷铬酸混合溶液中浸泡4.3h，得到中间产物。
[0034]步骤2，将中间产物置于温度为18°C、浓度为0.35mol/L的恒温草酸溶液中，于周期性非对称电压下阳极氧化105个周期；其中，周期性非对称电压的波形为，电压先于31s期间按照正弦波规律自24V升高至54V、再于185s期间由54V线性降低到24V，自第二个周期开始每个周期的电压波形均在前一周期电压波形的基础上向上平移0.07V。制得近似于图1所示，以及如图2中的曲线所示的由主干层和分叉层叠加成的阳极氧化铝光子晶体。
[0035]实施例5
[0036]步骤I，先将铝片置于浓度为0.4mol/L的草酸溶液中，于42V的直流电压下阳极氧化2.5h。再将其置于62°C下的磷铬酸混合溶液中浸泡4h，得到中间产物。
[0037]步骤2，将中间产物置于温度为20°C、浓度为0.4mol/L的恒温草酸溶液中，于周期性非对称电压下阳极氧化110个周期；其中，周期性非对称电压的波形为，电压先于32s期间按照正弦波规律自25V升高至55V、再于190s期间由55V线性降低到25V,自第二个周期开始每个周期的电压波形均在前一周期电压波形的基础上向上平移0.09V。制得近似于图1所示，以及如图2中的曲线所示的由主干层和分叉层叠加成的阳极氧化铝光子晶体。
[0038]若为进一步获得较高 品质的阳极氧化铝光子晶体，可先将阳极氧化铝光子晶体置于饱和氯化铜溶液中浸泡去除剩余铝，再将其置于温度为40°C、浓度为5wt%的恒温磷酸溶液中进行双向通孔。
[0039]使用上述阳极氧化铝光子晶体的制备方法制备的阳极氧化铝光子晶体的用途为，
[0040]使用紫外-可见-红外分光光度计测量吸附乙醇气体前后的阳极氧化铝光子晶体的透过谱，得到如或近似于图3和图4中的曲线所示的乙醇气体的浓度。
[0041]显然，本领域的技术人员可以对本发明的阳极氧化铝光子晶体的制备方法和用途进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对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】
1.一种阳极氧化铝光子晶体的制备方法，采用二次阳极氧化法，其特征在于完成步骤如下: 步骤I，先将铝片置于浓度为0.2~0.4mol/L的草酸溶液中，于38~42V的直流电压下阳极氧化至少2.5h，再将其置于58~62°C下的磷铬酸混合溶液中浸泡至少4h，得到中间产物； 步骤2，将中间产物置于温度为12~20°C、浓度为0.2~0.4mol/L的恒温草酸溶液中，于周期性非对称电压下阳极氧化90~110个周期，其中，周期性非对称电压的波形为，电压先于28~32s期间按照正弦波规律自21~25V升高至51~55V、再于170~190s期间由51~55V线性降低到21~25V，自第二个周期开始每个周期的电压波形均在前一周期电压波形的基础上向上平移0.01~0.09V，制得由主干层和分叉层叠加成的阳极氧化铝光子晶体； 其中，主干层的厚度为280~300nm,由孔直径为44~48nm的直孔道构成,分叉层的厚度为130~150nm，由孔直径为23~27nm的二分叉孔构成。
2.根据权利要求1所述的阳极氧化铝光子晶体的制备方法，其特征是铝片的纯度为≥ 99.9%。
3.根据权利要求1所述的阳极氧化铝光子晶体的制备方法，其特征是在将铝片进行阳极氧化之前，先将其交替置于乙醇和丙酮中超声清洗2~3次，再用去离子水对其反复清洗后晾干，之后，将其置于真空度为10_5Pa、温度为500°C下退火5h。
4.根据权利要求1所述的阳极氧化铝光子晶体的制备方法，其特征是磷铬酸混合溶液由浓度为6?〖％的磷酸和浓度为1.5wt%的铬酸配置而成。
5.根据权利要求1所述的阳极氧化铝光子晶体的制备方法，其特征是先将阳极氧化铝光子晶体置于饱和氯化铜溶液中浸泡去除剩余铝，再将其置于温度为40°C、浓度为5wt%的恒温磷酸溶液中进行双向通孔。
6.一种使用权利要求1所述阳极氧化铝光子晶体的制备方法制备的阳极氧化铝光子晶体的用途，其特征在于: 使用紫外-可见-红外分光光度计测量吸附乙醇气体前后的阳极氧化铝光子晶体的透过谱，得到乙醇气体的浓度。
【文档编号】C30B29/20GK103484940SQ201210197228
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2012年6月9日 优先权日:2012年6月9日
【发明者】商国亮, 费广涛, 闫鹏, 许少辉 申请人:中国科学院合肥物质科学研究院