[发明专利]一种纳米铜颗粒分散氧化钴复合光学薄膜及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米金属颗粒与金属氧化物材料复合材料领域，提供了一种纳米铜颗粒分散氧化钴光学薄膜制备方法，涉及到一种纳米金属颗粒(Cu)分散氧化物(CoO)非线性光学薄膜材料的设计与制备工艺。 

背景技术

材料科学和信息科学是未来科技发展的两个重要支柱，纳米复合薄膜材料是材料科学的重要前沿，光电子学和光子学则是信息科学的重要前沿。纳米复合薄膜材料的非线性研究跨越这两个学科，受到广泛关注。纳米金属颗粒分散介质复合薄膜材料是一种应用前景良好的非线性光学材料。由于金属颗粒的表面等离子体共振和局域场增强效应，纳米金属颗粒复合薄膜在特定波长范围产生较强的吸收，极快的响应时间和极高的非线性系数。这些显著的非线性光学性质使这类复合薄膜材料成为光波分离器、光开关等光学元件的最佳候选材料。 

该类复合薄膜的制备技术有离子注入、真空蒸镀法、溅射法、溶胶-凝胶法以及脉冲激光沉积法等。溶胶-凝胶法由于可以达到分子水平的分散，可在不同介质基体中分散多种金属，具有薄膜成分易控、工艺设备简单、制备周期短、节省能源、成本低以及热处理温度相对低等优点，被认为是目前最有效的制膜技术之一。 

目前已发现，Au、Ag、Cu、Fe等元素可作为金属纳米微粒掺入薄膜介质中提高材料的非线性。其中Cu纳米微粒，对复合薄膜的非线性增强效果较好，并且其资源丰富，价格便宜，被广泛研究。但由于Cu在空气中易被氧化为CuO、Cu₂O，而氧化物不具备表面等离子共振效应，使得材料不出现非线性吸收特性，另外不同的介质种类也会对材料的非线性吸收产生重要影响，所以研究者在制备条件和介质种类的选择上都做了大量研究。Manzanares-Martinez等则采用溶胶-凝胶法，先后在空气和CO还原气氛中退火制得Cu/SiO₂复合薄膜，从实验和理论上证明了薄膜在560nm波长附近处具有明显的非线性光吸收现象[Manzanares-Martinez，et al.Thin SolidFilms，2000，(365)30.]。E.Cattaruzza等采用磁控溅射法并在H₂中退火制备了Cu/SiO₂复合薄膜，也具有非线性吸收特性[E.Cattaruzza，et al.Materials Scienceand Engineering，2006，(26)1092.]。Casarrubias-Segura等采用磁力溅射法在Ar中退火制得Cu/ZnO复合薄膜，进一步的研究表明随着溅射中使用铜线材的增多，退火温度的升高，吸收峰强度逐渐增强[Casarrubias-Segura，et ac.Solar Energy Materials &Solar Cells，2004，(81)339]。G.Celep，E.Cottancin等采用激光蒸发沉积法并在H₂(5％)-N₂(95％)气氛中退火制备了具有2～10nm的金属Cu颗粒的Cu/Al₂O₃复合薄膜，并研究了其吸收机理[G.Celep，E.Cottancin，et ac.PHYSICAL REVIEW，2004，B(70)165409]。可见，复合薄膜介质的种类多种多样。CoO是一种宽禁带金属氧化物，且具有较高的折射率(2.33)，具有潜在的非线性光学材料的研究价值。最近，我们利用溶胶-凝胶法制备了Ag/CoO复合薄膜，证明了纳米金属颗粒镶嵌CoO介质具有优良的非线性吸收(专利申请号：200810223795.7)，但Cu颗粒分散CoO复合光学薄膜及其制备方法目前还未见报道。 

发明内容

本发明的目的在于：提供一种非线性光学性质优良的纳米Cu颗粒分散CoO复合光学薄膜，并通过控制前驱体溶液的成分、优化匀胶机甩胶及热处理工艺制备该薄膜。该发明工艺路线简单，所需设备简单，操作方便，并能够精确控制薄膜的化学计量比。 

本发明提供的薄膜的化学式为Cu_x/(CoO)_1-x，x表示Cu的摩尔分数，其取值范围为：0.1≤x≤0.9。 

本发明采用溶胶-凝胶法制备Cu_x/(CoO)_1-x复合光学薄膜，具体工艺如下：