[发明专利]一种高质量氧化铝光子晶体的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高质量氧化铝光子晶体的制备方法，属于电化学技术领域。

背景技术

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。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明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。

实现本发明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0.1-10mA/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1mol/L。

在步骤(3)中使用4～10wt％磷酸和1～3wt％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0.1～2mol/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：λ＝2nd，其中n为一个周期的平均折射率，d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λ＝2nd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。