一种高质量氧化铝光子晶体的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高质量氧化铝光子晶体的制备方法，该方法的主要采用的步骤是将经过表面处理溶解掉氧化铝的铝片进行阳极氧化，先以高恒定电流密度阳极氧化然后降低到低恒定电流密度进行阳极氧化并反复重复该步骤，从而可制取高质量的氧化铝光子晶体，由于周期性调制电流密度，使在铝片表面形成的氧化铝纳米结构发生周期变化，形成周期性孔洞结构，在该网状周期结构中存在氧化铝和空气的周期性介电结构从而具备光子晶体的性质。该方法不仅操作方便、制作成本低、可大面积生产高质量一维光子晶体，而且制备出的光子晶体层数可控、带隙的深浅及位置可调及在相同光子晶体层数上具有更深的光学带隙，从而在光学器件制备领域有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，属于电化学
技术背景阳极氧化铝模板是一种常用的纳米结构模板，对其进行填充，可以方便地得 到各种材料的有序一维纳米阵列。目前，在氧化铝模板生长的过程中，通过周期 性调节阳极氧化电压可以得到平均折射率周期性变化的氧化铝模板，即一维氧化 铝光子晶体，但由于阳极氧化电压与孔洞密度不直接相关，所以周期性的变化电 压并不能得到孔洞密度周期性突变且不能得到具有相对较深光学带隙的一维多 层膜结构。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术通过周期性调制电流密度，提供了一种制 备高质量氧化铝光子晶体的方法，制备出的光子晶体层数可控、带隙的深浅及位 置可调，且在相同光子晶体层数上具有更深的光学带隙的高质量氧化铝光子晶 体。实现本专利技术目的采用的技术方案是 一种高质量氧化铝光子晶体的制备方 法，通过如下步骤制备(1) 将铝片去油后清洗干净，然后作电化学抛光处理；(2) 对处理过的铝片用常规方法进行阳极氧化，阳极氧化的次数可为1次， 也可反复进行数次；(3) 将阳极氧化后铝片表面的氧化铝膜溶解，得到干净的铝片；(4) 选择15伏到80伏之间的任一恒定电压值对干净的铝片阳极氧化，待电 流稳定后，使用1 20mA/cm2的高恒定电流密度对铝片阳极氧化10秒到 10分钟，然后使用0.1-10 raA/cm2的低恒定电流密度对铝片阳极氧化10 秒到10分钟，且高、低电流密度的比值在2:1到10:1之间，重复上述 阳极氧化过程，重复的次数即为制备氧化铝光子晶体的层数；(5) 将制得的氧化铝光子晶体置于饱和HgClr溶液中去掉氧化铝膜上剩余的 铝后，取出清洁并干燥后得到氧化铝光子晶体。如需得到具有较深光学带隙的一维光子晶体，在步骤(4)中的重复阳极氧化 过程中，用高、低恒定电流密度对铝片阳极氧化的时间依次递减，以后每个阳极 氧化周期高恒定电流密度阳极氧化时间递减0.01-1秒，低恒定电流密度阳极氧 化时间递减0.01-1秒。其中在步骤(1)中先使用丙酮去除铝片表面的油，再分别用稀强酸和稀强 碱溶液对铝片进行表面清洗，稀强酸和稀强碱溶液的浓度均小于lmol/L。在步骤(3)中使用4 10wty。磷酸和1 3wty。铬酸的混和溶液溶解铝片在表 面形成的氧化铝膜。在步骤(2) (4)中阳极氧化的恒定电压选择在15 25伏之间时，使用0. l 2mol/L的硫酸做电解液；恒定电压选择在25-80伏之间时，使用0. 1-2mol/L的 草酸做电解液，阳极氧化的阳极为铝片，阴极为惰性材料。步骤(2) (4)的阳极氧化过程均在0到30摄氏度的环境温度中进行。在制备阳极氧化铝膜的过程中，电流密度的变化对孔洞密度以及占空比的变 化起到决定性的作用。对电流密度的大小进行调制，可以使氧化铝模板的平均折 射率的变化更为直接，对电流密度持续的时间进行调制，可以更精确的控制氧化 铝模板生长的厚度。在氧化铝模板生长的过程中，对电流密度进行周期性调制， 可以使模板中的孔洞密度发生周期性变化，得到平均折射率周期性变化的结构从 而具备光子晶体的性质，并且可以通过改变相应的制备条件来调节带隙的深浅和 位置来满足不同条件的需要。由于光子晶体的层数与带隙的深浅有关，层数越多带隙越深，所以可以通过 电流密度变化的重复次数控制光子晶体层数来改变带隙深浅。光子晶体的带隙位 置为；1 = 2 ^，其中"为一个周期的平均折射率，"为一个周期的厚度，所以 通过调节电流密度和单周期生长时间改变来调节平均折射率和层间距从而改变 带隙位置，在相同的光子晶体层数上，比周期性调节阳极氧化电压来调节带隙的 深浅要获得更深的带隙位置，即可以获得高质量的氧化铝光子晶体。由于长时间电解液腐蚀的影响，氧化铝膜中不同深度的孔隙率不一致，先长 的氧化铝膜周期平均折射率较小而后长的氧化铝膜周期平均折射率较大。周期平 均折射率的不一致会减小带隙的深度并增加带隙的宽度，当需要得到具有较深带 隙的模板时，根据A = 2 d可通过逐渐递减不同周期的生长时间得到周期厚度递减的氧化铝膜，从而保持带隙位置恒定抵消孔隙率不一致带来的影响。与现有技术相比，本专利技术通过控制电流密度控制氧化铝膜的有效折射率、占 空比及孔洞密度，恒定电流持续的时间决定氧化铝膜单层厚度，尤其是在相同光 子晶体层数上具有更深的光学带隙的高质量氧化铝光子晶体。不仅操作方便、制 作成本低、可大面积生产高质量一维氧化铝光子晶体，在光学器件制备领域有广 泛的应用前景。 附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步的说明。 图1为本专利技术制备的氧化铝光子晶体的截面正视图。图2为本专利技术制备的氧化铝光子晶体的透射光谱图，图中曲线l、 2、 3分别 对应实施例l、 2、 3制备的光子晶体的透射光谱。图3为逐渐递减不同周期的生长时间得到周期厚度递减的氧化铝膜的透射 光谱图。具体实施方式实施例1在环境温度为22摄氏度，按如下步骤操作(1) 将厚度为0. 2mm的铝片裁成2. 5cmX3cm的形状，先用丙酮将铝片去油， 然后分别使用0. lmol/L稀硫酸和0. lmol/L，稀氢氧化钠溶液洗涤该铝片。在80wt %无水酒精和20wt^高氯酸混合溶液的电解液中，将处理过的铝片做阳极，铂 片做阴极，用16v电压电化学抛光3分钟。(2) 用0. 3mol/L的硫酸做电解液，将抛光后的铝片做阳极，铂片做阴极，20v 电压对铝片进行阳极氧化6小时。(3) 使用6wtX磷酸和1.8wty。铬酸的混和溶液溶解在铝片表面形成的氧化铝膜。(4) 使用0. 3mol/L的硫酸做电解液，在20v的恒定电压下再次进行阳极氧 化1小时，然后用高恒定电流密度5.2 mA/cm2持续阳极氧化36秒后，降低到低 恒定电流密度1.3 mA/cm2并持续144秒，再次增加电流密度到5.2 mA/cm2并持 续36秒后，再次降低到低电流密度1.3mA/cn^并持续144秒，如此循环重复30 次，制得30层的氧化铝光子晶体。(5) 将制得的氧化铝光子晶体置于饱和HgCl2溶液中去掉氧化铝膜上剩余的 铝后，取出清洁并干燥后得到高质量的氧化铝光子晶体。实施例2在环境温度为22摄氏度，按如下步骤操作(1) 将厚度为0. 2mm的铝片裁成2. 5cmX3cm的形状，先用丙酮将铝片去油， 然后分别使用0. lmol/L稀硫酸和0. lmol/L稀氢氧化钠溶液洗涤该铝片。在80wt %无水酒精和20wtX高氯酸混合溶液的电解液中，将洗净的铝片做阳极，铂片 做阴极，用16v电压电化学抛光3分钟。(2) 使用0. 3mol/L的硫酸做电解液，抛光后的铝片做阳极，铂片做阴极，20v 电压对铝片阳极氧化6小时。(3) 使用6wt呢磷酸和1.8wty。铬酸的混和溶液溶解在铝片表面形成的氧化铝膜。(4) 使用0. 3mol/L的硫酸做电解液，在20v的恒定电压下再次进行阳极氧 化1小时，然后以恒流模式进行氧化，高恒定电流密度5. 2 mA/cm2持续36秒后， 降低到低恒定电流密度1.3 mA/cm2并持续144秒，再次增加电流密度到高恒定 电流密度5. 2 mA/cm2并持续36秒后，再次降低到低恒定电流密度1. 3 mA/cm2并 持续144秒，如此循环重复60次，制得60层的氧化铝光子晶体(5)将本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高质量氧化铝光子晶体的制备方法，其特征在于采用如下步骤制备：（１）对铝片依次用相应的常规方法进行去油、表面清洗、电化学抛光的处理；（２）对处理过的铝片用常规方法进行阳极氧化，阳极氧化的次数为１次，或者反复进行数次；　 　（３）将阳极氧化后铝片表面的氧化铝膜溶解，得到干净的铝片；（４）选择１５伏到８０伏之间的任一恒定电压值对干净的铝片阳极氧化，待电流稳定后，使用１～２０ｍＡ／ｃｍ↑［２］的高恒定电流密度对铝片阳极氧化１０秒到１０分钟，然后使用０．１ ～１０ｍＡ／ｃｍ↑［２］的低恒定电流密度对铝片阳极氧化１０秒到１０分钟，且高、低电流密度的比值在２∶１到１０∶１之间，重复上述阳极氧化过程，重复的次数即为制备氧化铝光子晶体的层数；（５）将制得的氧化铝光子晶体置于饱和ＨｇＣｌ↓［２］ 溶液中去掉氧化铝膜上剩余的铝后，取出清洁并干燥后得到高质量的氧化铝光子晶体。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郭东来，邹宪武，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]