[发明专利]一种具有高饱和度结构色的多孔氧化铝光子晶体薄膜的制备方法

说明书

本发明为一种具有高饱和度结构色的多孔氧化铝光子晶体薄膜的制备方法。该方法包括以下步骤：高纯铝片经过退火、抛光、洗涤后作为阳极，以石墨为阴极，浸入到草酸溶液中，采用恒电位正弦脉冲进行第一次阳极氧化制备光子晶体。洗涤后放入草酸溶液中，使用直流稳压电源提供的大电压进行第二次阳极氧化，得到具有高饱和度结构色的阳极氧化铝光子晶体模板。本发明无需去除铝基底，也无需在氧化铝薄膜中沉积其它材料就能观察到饱和度较高的结构色，进一步拓展了光子晶体结构色在彩显、防伪、装饰等领域的应用。

技术领域

本发明涉及一种具有高饱和度结构色的多孔氧化铝光子晶体薄膜的制备方法，属于光学技术和电化学技术领域。

背景技术

近年来，随着人们环保意识的逐渐提高，色素、染料等在生产和应用过程中带来的污染问题越来越引起人们的关注。相比于色素的高污染，一种无污染的鲜艳色彩引起了人们极大的兴趣，比如：自然界中蝴蝶的翅膀及昆虫体壁上出现的颜色。这些鲜艳色彩不同于色素，称为结构色，因具有无污染、虹彩效应、并且永不褪色的特征激起人们的研究兴趣。随着对光子晶体的深入研究，人们认识到自然界中存在的这些具有结构色的物体就是天然的光子晶体。而光子晶体结构色的产生就是因为光子晶体中存在光子禁带，当光子晶体的范围在可见光范围内，特定频率的可见光不能透过该晶体。这些不能传播的光被光子晶体反射，在光子晶体表面相干衍射后被人眼感知就形成了高饱和度结构色。由于铝基对光有很高的反射率，光子带隙以外的光到达铝基后会被反射回来，导致实验室中制备的光子晶体结构色饱和度较低，虽可以通过去除铝基观察到较高饱和度的结构色，但去除铝基后的氧化铝光子晶体薄膜易碎，这使光子晶体薄膜的实际应用性较差。且通过沉积其它材料获得高饱和度结构色的操作方法复杂，成本较高。因此，寻找一种制备简单、低成本且能够在铝基上直接显示出高饱和度结构色的方法对于光子晶体结构色的实际应用具有极为重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在不去除铝基的情况下也能显示出高饱和度结构色的氧化铝光子晶体薄膜的制备方法。本发明在氧化铝光子晶体的基础上，使用0.25～0.35mol/L的草酸溶液进行第二次阳极氧化。在第二次阳极氧化过程中，将草酸溶液中的阳极氧化电压提高到150V～250V，采用大电压进行剧烈的阳极氧化，即可制备出能够在铝基上显示高饱和度结构色的氧化铝光子晶体薄膜。本发明无需去除铝基底，也无需在氧化铝光子晶体薄膜中沉积其它材料就能观察到饱和度较高的结构色。这不仅解决了以往技术操作复杂、制作成本较高的问题，还可以进一步拓展光子晶体结构色在彩显、防伪、装饰等领域的应用。

本发明的技术方案如下：

一种具有高饱和度结构色的多孔氧化铝光子晶体薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)高纯铝片置于管式电炉中400～450℃下退火2～3h(采用氩气做保护气体)；

(2)将退火后的铝片放入丙酮溶液中超声波清洗，再使用高氯酸与无水乙醇体积比为1:4的抛光液进行抛光：以铝片为阳极，碳板为阴极，直流1～1.05A电流下电解抛光2～3分钟后，用去离子水清洗表面抛光液，然后在超声波震荡器里分别用丙酮和无水乙醇清洗，晾干；

(3)以石墨为阴极，上步得到的处理后的铝片为阳极，浸入到浓度为0.25～0.35mol/L的草酸溶液中，采用恒电位正弦脉冲进行第一次阳极氧化制备光子晶体；正弦脉冲的最大值与最小值分别为45V和5V，脉冲周期为200～300S，氧化时间为10～12h，反应温度为20℃；

(4)将步骤(3)中被氧化后铝片用去离子水冲洗并晾干；随后放入0.25～0.35mol/L的草酸溶液中，使用直流稳压电源以石墨为阴极，铝片为阳极进行第二次阳极氧化；第二次阳极氧化包括增压氧化阶段和恒压氧化阶段；在增压氧化阶段，将氧化电压在10～13S内从25V均匀增加到150～250V，然后保持恒定电压80～140S，得到具有高饱和度结构色的阳极氧化铝光子晶体薄膜；

以上所述的草酸电解液是质量百分浓度为99.5％的草酸溶于去离子水中配制而成；