一种原位自生长的超低反射率材料及其制备方法技术

一种铜金属基原位自生长的CuO纳米线阵列超低反射率材料及其制备方法，属于超低反射率材料制备技术领域。首先对Cu金属基片(基片厚度0.2～20mm)的上、下表面用酒精棉擦拭8～20次使表面光滑和洁净；再将上述Cu金属基片在空气气氛中，以0.01～5℃/分钟的升温速度加热至410～490℃，反应2h～7d，然后以0.1～5℃/分钟的降温速度降至室温，从而得到Cu金属基原位自生长的CuO纳米线阵列超低反射率材料。原料铜基底不需抛光，前处理方便。制备过程简单，一步合成，无污染，原料简单，成本低，阵列参数可调，易获得超低反射率。该材料能有效提高太阳能集热管的吸光效率，增强光学仪器的精密度。对能源与光学领域的发展有着重要意义。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于超低反射率材料制备
，具体涉及一种铜金属基原位自生长的CuO纳米线阵列超低反射率材料及其制备方法。技术背景反射率小于1％的超低反射率材料在很多方面具有重要的应用。它能有效地收集太阳能，将光转化成热。由于这类材料几乎没有反射和散射，所以还常被用于提高热探测器和红外光学系统的测量精度。这类材料可以用在我们生产生活的很多方面。如可被用于提高太空望远镜的观测精度，增强家用和空间摄影机的清晰度，增加光学类空间导航系统的精确度等。多种纳米结构已被用于构造超低反射率材料，制备的手段多样，有化学处理法，旋涂法，水热法，电镀法，刻蚀法等。如多孔状的金字塔结构Si，就是通过电化学刻蚀和表面织构化的方法得到的，由于膜层具有渐变的折射率，因而膜材料在400-800nm的平均反射率能达到1.9％。另有文献报道了Si纳米棒的阵列，该阵列材料是借助Ni量子点掩模板，并通过干法刻蚀覆有SiO2的Si基底制备得到，由于其空气-Si界面的混合结构和微粗糙表面，导致该材料在435nm处具有0.88％的反射率。另外，碳纳米管阵列材料在超低反射率材料方面也表现得比较突出，该材料通常采用水辅助的CVD法在Si表面制备，由于垂直排列的单壁碳纳米管会对入射光产生多重反射和吸收，因而该材料在0.2-200μm波长区间获得了1％-2％的反射率。以上这些纳米结构材料的制备步骤都稍显麻烦，并且有些还需昂贵的设备。不过这些能够产生超低反射行为的纳米结构为我们设计其他种类的超低反射率材料带来了有益启迪，尤其是这种垂直排列的纳米线阵列结构。为此，从大规模制膜技术角度考虑，需要引入新的工艺技术，从而获得廉价高性能的选择性吸收膜。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种原位自生长的超低反射率材料及其制备方法。本专利技术所述的CuO纳米线阵列超低反射率材料从底部往外分别是紧贴于Cu金属基片的Cu2O层(0.8～9.1μm)、CuO层(0.2～4.2μm)和CuO纳米线阵列结构层。CuO纳米线阵列对超低反射率性能起主要作用，可以在410℃～490℃的空气中进行制备，通过调节加热温度、加热时间和升降温速度可以获得不同厚度和疏密度的CuO纳米线阵列结构层，所制备的纳米线阵列结构层的厚度为5.2μm～40.3μm(见实施例3～8)，直径分布在45～247nm(见实施例3～8)，纳米线几乎垂直于Cu金属基片。特别地，在450℃制备时得到的材料的反射率较低。本专利技术所述的CuO纳米线阵列超低反射率材料具有如下特点：结构简单，制备步骤简单，成本低廉，环保无毒，并能高效吸收太阳光和有效提高光学系统性能。所述的Cu金属基片为市售商品，按质量百分数计，含Cu>99.0％，Sb<0.002％，As<0.002％，基片厚度为0.2～20mm，金属基片过厚，热空气中不易原位生长纳米线阵列。基底表面不需要进行抛光处理。本专利技术所述的原位自生长CuO纳米线阵列超低反射率材料的制备方法，首先对Cu金属基片(基片厚度0.2～20mm)的上、下表面(可在基片上下表面均制备得到CuO纳米线阵列超低反射率材料)用酒精棉擦拭8～20次使表面光滑和洁净；再将上述Cu金属基片在空气气氛中，以0.01～5℃/分钟的升温速度加热至410～490℃，反应2h～7d，然后以0.1～5℃/分钟的降温速度降至室温，从而得到Cu金属基原位自生长的CuO纳米线阵列超低反射率材料。超低反射率材料的反射率可以通过调节基片在空气中的热处理温度和热处理时间，从而获得具有不同纳米线阵列厚度和密集程度的CuO纳米线阵列，进而控制该材料的超低反射性能。所述的CuO纳米线阵列超低反射率材料通过空气热氧化法原位生长在Cu金属基片上。这种超低反射率的CuO纳米线阵列吸光原理可解释如下：当大部分的光线入射到这种近乎垂直排列(纳米线倾斜角在0～30°)的纳米线阵列时，光与CuO纳米线阵列会发生作用，对于每次相互作用，部分光将会在纳米线表面被反射，由于CuO的能带是1.2eV，即在近紫外可见光区本身就具有良好吸光性能，所以除反射外的另一部分光将被CuO纳米线吸收。当光沿着纳米线微间隙继续射向阵列深层时，光与CuO纳米线间的反射和吸收连续地发生，光线也不断地被衰减。这种相互作用不断重复进行着，直到衰减的光线几乎被完全吸收。因此，越是厚(见实施例3-8)的CuO纳米线阵列，光与纳米线间发生作用的次数会越多，最终会越有机会获得优异的低反射性能。CuO纳米线阵列也可被视为空气填充的渐变折射率介质，这种渐变的折射率有利于对光的吸收，产生低反射率。本专利技术的吸收薄膜有以下几个优点：原料铜基底不需抛光，前处理方便。制备过程简单，一步合成，无污染，原料简单，成本低，阵列参数可调，易获得超低反射率。该材料能有效提高太阳能集热管的吸光效率，增强光学仪器的精密度。对能源与光学领域的发展有着重要意义。附图说明图1：超低反射率材料截面结构示意图(图D)及各个位置的能谱图(图A～图C)。图D中，a处为紧贴于Cu金属基片的Cu2O层(其能谱图如图A所示)；b处为CuO层(其能谱图如图B所示)；c处为CuO纳米线阵列结构层(其能谱图如图C所示)。对应于实施例3的产物。图2：在450℃下反应不同时间所得的CuO超低反射率材料(样品g：450℃，2h；样品h：450℃，5h；样品i：450℃，10h；样品j：450℃，1d；样品k：450℃，4d；样品l：450℃，7d。见实施例3-8)的XRD图，由图上可看出，该材料为单斜CuO结构。并且在反应7天(7d)时所得的材料的样品峰最强，纳米线取向生长最明显。图3：在450℃下反应不同时间(见实施例3-8)所得的CuO超低反射率材料的表面SEM图，由图上可看出该材料纳米线的直径分布在45～247nm。图4：在450℃下反应不同时间所得的CuO超低反射率材料的截面SEM图，由图上可看出所制备的纳米线阵列的厚度为5.2μm～40.3μm(见实施例3-8)，纳米线几乎垂直于基底。图5：在450℃下反应不同时间所得的CuO超低反射率材料的反射率曲线图，经计算样品g到样品l在200～700nm区间的反射率分别为0.82％、1.01％、1.29％、2.30％、0.34％、0.078％(见实施例3-8)。具体实施方式实施例1：CuO超低反射率材料的制备(1)将厚度为2.5mm的Cu金属基片表面用酒精棉擦拭20次，使表面光滑和洁净；(2)将上述Cu金属基片放入到坩埚中，再一起放入到马弗炉中，在空气气氛下，以每分钟升温5℃的升温速度加热至410℃，反应2h；(3)降温时，在空气气氛下，以每分钟0.1℃的降温速度，降温至室温，从而得到铜金属基原位自生长的CuO纳米线阵列，该阵列的平均厚度是2.1μm，其中CuO纳米线的直径在65～210nm之间。得到的CuO纳米线阵列超低反射率材料在0.2～0.7μm光谱区间的算术平均反射率(采用带有积分球的近紫外可见红外分光光度计)为4.58％。实施例2：CuO超低反射率材料的制备(1)将厚度为2.5mm的Cu金属基片表面用酒精棉擦拭20次，使表面光滑和洁净；(2)将上述Cu金属基片放入到坩埚中，再一起放入到马弗炉中，在空气气氛下，以每分钟0.1℃的升温速度加热至410℃，反应7d；(3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种原位自生长的超低反射率材料，其特征在于：从底部往外分别是紧贴于Cu金属基片的Cu2O层、CuO层和CuO纳米线阵列结构层；纳米线阵列结构层的厚度为5.2μm～40.3μm，直径分布在45～247nm，纳米线几乎垂直于Cu金属基片。

【技术特征摘要】
1.一种原位自生长的超低反射率材料，其特征在于：从底部往外分别是紧贴于Cu金属基片的Cu2O层、CuO层和CuO纳米线阵列结构层；纳米线阵列结构层的厚度为5.2μm～40.3μm，直径分布在45～247nm，纳米线几乎垂直于Cu金属基片。2.如权利要求1所述的一种原位自生长的超低反射率材料，其特征在于：Cu金属基片，按质量百分数计，含Cu>99.0％，Sb<0.002％，As<0.002％，基片厚度为0.2～20mm。3.如权利要求1所述的一种原位自生长的超低反射率材料，其特征在于：Cu2O层的厚度为0.8～9.1μm，CuO...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯守华，王兴利，吴小峰，黄科科，袁龙，付蓉，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22