多孔陽極氧化鋁模板在納米材料方面的制備及應用

常勝男

(天津工業(yè)大學，天津 300000)

1 引言

尺寸介于納米尺度范圍的材料具有許多傳統(tǒng)材料所不具備的性能，納米材料因表面效應、小尺寸效應、宏觀量子隧道效應等受到越來越多的研究，并廣泛應用于電學、光學、生物學等眾多領域。納米材料的制備以及如何獲得高密度、高規(guī)整度的納米陣列成為研究的熱點。納米材料的制備方法眾多，但模板法是制備納米材料較為簡單的一種方法。

多孔陽極氧化鋁是在酸性電解質溶液中通過金屬鋁的陽極氧化反應形成的一種薄膜材料，其包括沿表面垂直生長的納米級別的圓柱形孔洞。多孔陽極氧化鋁制備方法簡單，成本較低，其納米級孔洞排列規(guī)整、表面積較大，并且通過改變制備工藝可調節(jié)孔結構，因此多孔陽極氧化鋁模板法是制備納米材料的常用方法之一。在多孔陽極氧化鋁表面或孔腔內可沉積出納米點、納米線、納米棒、納米管等眾多納米結構，得到的納米結構排列規(guī)則、表面積較高。目前已經使用多孔陽極氧化鋁模板獲得金屬、半導體、高聚物、碳材料等多種材料的納米結構。

納米材料因納米級尺寸具有許多優(yōu)異的性能，其廣泛應用于光、電、磁等眾多領域。納米材料的比表面積較大，其在傳感器、生物、分子運輸?shù)阮I域也發(fā)揮著重要作用[1]。

2 多孔陽極氧化鋁模板的制備

多孔陽極氧化鋁模板是在酸性電解質溶液中通過金屬鋁的陽極氧化反應形成。在進行陽極氧化反應之前，需要對鋁片進行電化學拋光以消除應力，將拋光后的鋁片置于電解質溶液中，施加相應的電壓進行第一次陽極氧化反應，然后將第一次陽極氧化反應產生的多孔陽極氧化鋁除去，在此基礎上進行第二次陽極氧化反應，所生成的多孔陽極氧化鋁是在第一次陽極氧化的凹坑基礎上形成，所以規(guī)整度較高，最后將多孔陽極氧化鋁置于磷酸溶液中進行擴孔處理。

多孔陽極氧化鋁模板是一類具有獨特納米孔洞結構的薄膜材料，其由阻擋層和多孔層組成，多孔層由六角緊密堆積的元胞組成，元胞中心為沿表面垂直生長的圓柱形孔洞。通過改變多孔陽極氧化鋁的工藝參數(shù)，如電解質種類及濃度、陽極氧化電壓、陽極氧化時間等可以改變多孔陽極氧化鋁的形貌結構，如孔間距、孔徑、孔厚、孔隙率等，在此基礎上可以獲得不同形貌結構的納米材料，以應用于不同的領域[2]。

3 納米材料的制備

納米材料的制備方法眾多，但大多成本較高，工藝復雜，所制備的納米材料可重復性低，規(guī)整度不高。多孔陽極氧化鋁模板法是制備納米材料的方法之一，由于多孔陽極氧化鋁模板獨特的納米孔洞結構，所制備的納米材料結構規(guī)整，比表面積較大，多孔陽極氧化鋁模板法制備工藝簡單，成本較低，并且通過調節(jié)多孔陽極氧化鋁的工藝參數(shù)能夠得到不同形貌結構的納米孔洞，從而得到不同形貌結構的納米材料。

基于多孔陽極氧化鋁的納米材料的制備方法包括電化學沉積法、磁控濺射法、化學氣相沉積法、模板潤濕法、原位聚合法等，采用上述方法在多孔陽極氧化鋁表面或孔腔中可以沉積金屬、半導體、高聚物、碳材料等以形成相應的納米點、納米線、納米棒、納米管等納米結構。

金屬、半導體、碳材料的納米結構的制備方法主要有電化學沉積法、磁控濺射法、化學氣相沉積法等。在電化學沉積法中，使用電化學工作站，以多孔陽極氧化鋁模板為工作電極，施加一定的電壓，使得溶液中的金屬離子沉積在多孔陽極氧化鋁表面或孔腔中。高聚物納米材料的制備方法主要是模板潤濕法、原位聚合法等，將多孔陽極氧化鋁模板浸入高聚物溶液中，或將高聚物溶液滴加在多孔陽極氧化鋁表面，在無外界條件或者旋涂和熱壓印，使得高聚物溶液滲透浸入多孔陽極氧化鋁孔腔中，在小于高聚物玻璃化溫度的條件下干燥數(shù)小時，除去多孔陽極氧化鋁模板即可得到高聚物納米線、納米棒等納米結構[3]。

4 納米材料的應用

采用多孔陽極氧化鋁模板制備的納米材料規(guī)整度高、比表面積大、可批量生產，并且 多孔陽極氧化鋁模板制備工藝簡單，成本較低，通過調節(jié)工藝參數(shù)可以獲得不同形貌的納米材料，是制備納米材料的常用方法之一。

納米材料因小尺寸而具有傳統(tǒng)材料不具備的優(yōu)異性能，由多孔陽極氧化鋁模板制備的納米材料因結構規(guī)整，性能得到提高，其在傳感器、分子運輸?shù)阮I域發(fā)揮著重要作用。在傳感器領域，因為有多孔陽極氧化鋁模板制備的納米材料結構規(guī)整，比表面積大，極大改善了傳感器的靈敏度，使其在生物傳感器、氣體傳感器等中發(fā)揮著重要作用。在分子運輸領域，同樣因比表面積的增大，提高了納米材料的分子運輸能力，從而改善了器件的靈敏度。