大孔徑有序模板的制備

王凱

摘要：本文制備了大孔徑有序陽極氧化鋁模板，并對去除模板的鋁的反射光柵特性進行了光譜測試及分析。

關鍵詞：大孔徑模板；氧化鋁

1995年，Masuda等首次制備出了排列高度有序的多孔陽極氧化鋁（Anodic Aluminum Oxide，AAO）薄膜[1]，并以此作為模板復型出了金屬納米孔陣列，這一技術的出現具有極其重要的意義，它使得人們能夠利用 AAO 作為模板復型制備出多種高度有序的納米結構材料，使AAO膜在現代納米材料制備領域獲得了全新的應用。同傳統模板相比，AAO模板具有孔大小及孔間距可調、厚度可控、縱橫比高、分布有序性高、制備工藝成熟、熱及化學穩定性好等諸多優點，其在磁學[2]、光催化[3]、光子學[4]、能量存儲[5]及生物傳感器[6]等領域獲得了許多應用。

一、大孔徑AAO的制備

AAO是一種高度可控的納米模板，許多研究人員發現，穩態生長的AAO所形成有序孔洞的孔間距與陽極電壓成近似線性關系，其比例關系約為2.5 nm/V。本實驗采用195V的高壓在低溫下制備出了具有大孔徑的AAO，制備過程是先對鋁片進行拋光處理，將高純鋁（99.99%）浸入高氯酸和無水乙醇的混合溶液中（體積比為1：4），拋光溫度保持為0℃，在21V的直流電壓下電化學拋光8分鐘。接著采用1wt%磷酸與0.01M草酸鋁的混合溶液為電解液，將拋光鋁片在0℃下以195V的電壓一次陽極氧化6小時，再將制備出的一次樣品浸入70℃的鉻酸中20分鐘以溶解掉無序的一次氧化膜，以這種除膜的鋁片為基板可以進行二次陽極氧化反應。

二、大孔徑AAO的表征

去除一次氧化膜的鋁片具有獨特的光學特性，隨著觀察角度的不同會呈現出不同的顏色，說明光在這種納米結構中發生了干涉和衍射現象。根據光的衍射和干涉原理，當平行光束以角入射于光柵時，在符合以下方程的角方向上獲得最大光強：m = d （sin + sin），其中d為光柵常數，在此即一次去膜鋁片的孔間距，為入射角，為出射角， 為衍射波的波長。將樣品置于固定臺面上來測試光路，在本測試中固定入射角為75°以獲得較廣的測量范圍。

測量出的不同出射角對應的反射率與衍射波長的關系可以觀察到較強衍射峰的存在，這說明了樣品的有序度較好。當出射角為0°時，衍射峰強處對應的反射率值最大，接近1%，隨著出射角的增大，峰強處的反射率隨之減小，當出射角增大到50°時，峰強處反射率降到只有0.35%左右。衍射峰強處對應的衍射波長則隨著出射角的增大逐漸增大，出射角為0°時，衍射峰強處對應的波長約為400nm，出射角增大到50°時，峰強處對應的波長約為700nm。

以195V一次氧化后除膜的鋁片為模板，在180℃下熱壓2小時得到的PMMA的表面形貌，可以觀察到排列比較規則的正六邊形蜂窩狀結構，其孔間距約為400nm，可以使用這種鋁片為基板進行二次陽極氧化反應。195伏電壓下的孔間距為400nm，以此值代入公式m = d （sin + sin）中，選擇有明顯峰強的五個出射角：0°、15°、30°、45°及50°，計算出各出射角衍射峰處對應的波長，再與實測的峰強處波長進行比較，可以看出，計算結果與實測結果較為接近，進一步證實了400nm孔間距值的準確性。

三、結論

采用1wt%磷酸和0.01M草酸鋁的混合溶液為電解液，在0℃的低溫下，通過外加195V高壓的陽極氧化法制備出了大孔徑AAO，可以得出一次去膜鋁片的有序度較好，其表面形貌為正六邊形結構，排列比較規則，且孔間距為400nm。

參考文獻：

[1]Masuda H.， Fukuda K.， Ordered metal nanohole arrays made by a two-step replication of honeycomb structure of anodic alumina [J]. Science， 1995， 268： 1466-1468

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[3]Nielsch K.， Muller F.， Li A. P.， et al. Uniform nickel deposition into ordered alumina pores by pulsed electrodeposition [J]. Adv. Mater.， 2000， 12： 582-586

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