[发明专利]一种具有渐变孔深的多孔的氧化铝薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及氧化铝薄膜的技术领域，尤其涉及一种渐变孔深的多孔的氧化铝薄膜及其制备方法。

背景技术

由于具有纳米孔洞的氧化铝薄膜是宽带隙金属氧化物半导体材料，具有热稳定性、抗腐蚀性、化学稳定性和高介电常数，在有序纳米结构的合成中得到了广泛的应用。随着光子晶体研究的深入，关于氧化铝薄膜的结构色问题也有了一定的研究。1969年，Diggle等人报道在可见光范围内，有铝基支撑的氧化铝薄膜当厚度小于1μm时因光干涉作用会产生明亮的颜色。2007年，日本东北大学Wang等人报道利用CVD技术在氧化铝薄膜上沉积碳纳米管后，制备出了颜色饱和度较高的氧化铝薄膜。随后，2010年，中科院合肥物质科学研究院固体所赵相龙博士在碳管复合氧化铝复合薄膜颜色的调控研究方面取得了重要进展，实现了对碳管复合氧化铝复合薄膜颜色的精细调控。2011年，河北师范大学孙会元教授小组采用多次氧化法制备了具有变化彩条特征的氧化铝复合薄膜。

但是到目前为止还没有关于一次氧化工艺制备渐变孔深的多孔氧化铝薄膜的报道，也没有所述氧化铝薄膜具有虹彩环形结构色的报道。现有的具有多彩结构色的氧化铝薄膜的制备采取多次氧化，这样制备方法繁琐，制备成本较高。

发明内容

有鉴于此，本发明一方面提供一种渐变孔深的多孔氧化铝薄膜，该氧化铝薄膜通过一次氧化即可制得，制备简单，成本较低。

一种具有渐变孔深的多孔的氧化铝薄膜，所述氧化铝薄膜表面分布有多个孔洞，所述孔洞的孔深从薄膜中央处向四周递减。

其中，所述孔深按照二次函数从氧化铝薄膜的中央处向四周对称性递减。

以上具有渐变孔深的多孔氧化铝薄膜的技术方案中，孔洞的孔径较小，为几百纳米，呈点阵排布。孔洞深度满足以与薄膜中央处的距离为自变量的递减的二次函数关系。控制孔深及孔径以使得氧化铝薄膜的厚度满足一定的变化规律时，例如氧化铝薄膜的厚度可以从中部向四周递减且总体厚度在1微米以下，这时氧化铝薄膜可产生环形的虹彩结构色。此外，氧化铝薄膜的制备中控制氧化电压能较好地得到呈现环形的虹彩结构色的氧化铝薄膜。虹彩的结构色是由于复色光（例如自然光）经薄膜的上表面和下表面反射后相互干涉使得组成复色光相互分离而产生。彩环色彩和疏密程度可控制。

本发明另一方面提供一种氧化铝薄膜的制备方法，该方法采用一次氧化法，使得制备简单，成本较低。

一种如上述的氧化铝薄膜的制备方法，包括以下步骤：

（1）对铝箔进行预处理；

（2）将经预处理后的铝箔作为阳极连同与该阳极平行的阴极置入电解液中进行预电氧化；

（3）将经预电氧化的铝箔作为阳极连同与该阳极平行的阴极置入所述电解液进行电氧化。

其中，阴极的中心与阳极的中心的连线垂直于该阴极和阳极，所述阴极与阳极之间的距离为4～6cm。

其中，所述预电氧化的时间为4～6h，所述预电氧化的电压为80～100V。

其中，所述电氧化的时间为20s～4h，所述电氧化的电压为110～140V，所述电氧化的电流为40～120mA。

其中，所述电氧化的电压为110～140V，电氧化的时间为20s～300s时制得环形虹彩结构色的氧化铝薄膜。

其中，所述电解液为4.75～5.25wt%的磷酸。

其中，在步骤（2）和步骤（3）之间包括去氧化膜的步骤，具体为：将预电氧化后的铝箔置入无机酸混合溶液中浸泡8～12h。

其中，所述预处理按照从前至后的顺序依次包括剪裁、清洗、退火和电化学抛光。

以上制备方法的技术方案中，步骤（3）中电氧化的方式可以为连续式，也可以间歇式。从实验结果来看，与间歇式相比，连续式氧化对膜厚的影响较大。

预电氧化的目的是为了进一步提高铝箔的平整度。在预电氧化的过程中，通电后的十几秒内，流过铝箔的电流迅速从几百毫安锐减为十几毫安，随后电流缓慢上升至一稳定值，电流的此种变化的原因解释如下：在制备过程中，多孔阳极氧化铝薄膜的形成和生长分为以下三个阶段：（1）阳极高纯铝箔在外加电场的作用下，发生电化学反应，生成一层氧化铝薄膜，即阻挡层，阻挡层不断增厚，导致电场强度下降，电流迅速下降；（2）孔洞形成阶段，在形成膜的地方，氧化铝逐渐开始溶解，形成通路，使得离子可以互相移动，通过阻挡层与金属铝再次发生反应，形成孔核，电流逐渐增加；（3）多孔层稳定增厚阶段，氧化物的形成与溶解达到动态平衡，电流趋于稳定，多孔层不断增厚，最终形成多孔阳极氧化铝薄膜。