寬紫外光吸收FeGa空心球納米陣列材料及其製備方法
2023-05-14 10:40:56 2
寬紫外光吸收FeGa空心球納米陣列材料及其製備方法
【專利摘要】本發明公開了一種可磁場調控寬紫外光吸收性能的FeGa空心球納米陣列材料，包括襯底、FeGa空心球陣列膜，FeGa空心球陣列膜覆蓋於襯底上；所述FeGa空心球陣列膜由多個FeGa空心球單層緊密排列為蜂巢形陣列；所述FeGa空心球的直徑為500～1000nm，壁厚為20～120nm。本發明將FeGa材料做成金屬光子晶體，可通過外加磁場，利用FeGa良好的磁滯伸縮性能來調控材料的形態結構，能夠實現進一步調控材料的光學方面性能。本發明還公開了一種FeGa空心球納米陣列材料的製備方法。
【專利說明】寬紫外光吸收FeGa空心球納米陣列材料及其製備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種納米材料，具體涉及一種可磁場調控寬紫外光吸收性能的FeGa空心球納米陣列材料。本發明還涉及一種可磁場調控寬紫外光吸收性能的FeGa空心球納米陣列材料的製備方法。
【背景技術】
[0002]光子晶體是一種介質在另一種介質中周期排列所組成的人造晶體，折射率的周期變化形成光學能帶，使一定能量的落入其中的光子不能傳播，形成光子禁帶，並且自發輻射受到抑制。通過設計光子晶體結構，將頻率處于禁帶的光局域在周期性結構中，從而實現對光的調控。
[0003]金屬光子晶體即把光子晶體中周期性排列的電介質單元換成金屬，可以是納米孔、柱等周期性結構。由於金屬是負介電常數的介質，因此光波不能在其內部傳播。金屬與光波產生表面等離子體共振，沿著金屬和介質界面傳播的電子波將使金屬表面產生很強的增強場。表面等離子共振與波導模式發生強烈的耦合作用，將產生增透現象並發現了一些特殊的光學技術，在光電子器件方面具有重要的應用。
[0004]然而，傳統的金屬光子晶體材料，結構形成後往往無法再進行後續的調控，從而限制了金屬光子晶體的應用範圍。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決的技術問題是提供一種可磁場調控寬紫外光吸收性能的FeGa空心球納米陣列材料，它可以通過外磁場進行調控，具有寬紫外吸收性能。
[0006]為解決上述技術問題，本發明可磁場調控寬紫外光吸收性能的FeGa空心球納米陣列材料的技術解決方案為:
包括襯底、FeGa空心球陣列膜，FeGa空心球陣列膜覆蓋於襯底上；所述FeGa空心球陣列膜由多個FeGa空心球單層緊密排列為蜂巢形陣列；所述FeGa空心球的直徑為500?lOOOnm，壁厚為 20 ?120nm。
[0007]所述空心球的孔間相互連通。
[0008]本發明還提供一種可磁場調控寬紫外光吸收性能的FeGa空心球納米陣列材料的製備方法，其技術解決方案為，包括以下步驟:
第一步、對襯底進行清洗；
當所述襯底為玻璃襯底，其第一步的清洗步驟為:
工序一、將襯底置於丙酮中超聲清洗40±5分鐘，然後用蒸餾水清洗多次；
工序二、將襯底置於乙醇中超聲清洗40±5分鐘，然後用蒸餾水清洗多次；
工序三、將襯底置於蒸餾水中超聲清洗30±5分鐘；
工序四、將襯底置於濃硫酸與雙氧水的混合液中浸泡8±0.5小時，然後超聲清洗60±5分鐘，再用蒸餾水反覆清洗；其中濃硫酸與雙氧水的體積比為3:1 ; 工序五、將襯底置於氨水、雙氧水、去離子水的混合液中超聲清洗60 ± 5分鐘，用蒸餾水清洗多次後置於蒸餾水中待用；襯底在蒸餾水中待用的時間不大於7天；其中氨水:雙氧水:去離子水的體積比為1:1:3。
[0009]當所述襯底為矽片襯底，其第一步的清洗步驟為:
工序一、將襯底置於丙酮中超聲清洗40±5分鐘，然後用蒸餾水清洗多次；
工序二、將襯底置於乙醇中超聲清洗40±5分鐘，然後用蒸餾水清洗多次；
工序三、將襯底置於蒸餾水中超聲清洗30±5分鐘後置於蒸餾水中待用；襯底在蒸餾水中待用的時間不大於7天。
[0010]第二步、在襯底上合成膠體晶體模板；
採用氣-液界面合成法，使膠體球附於襯底表面，形成膠體晶體模板；具體方法為:將膠體球溶液按照體積比為1:1的比例與無水乙醇混合；將膠體球溶液與無水乙醇的混合液滴到襯底表面，所述混合液在襯底邊緣與去離子水發生界面作用，在表面張力的作用下，使膠體球浮於液體表面，形成規則的納米結構膜；用襯底將其撈起，得到帶有膠體晶體模板的襯底。
[0011]所述膠體球溶液為質量比10%的聚苯乙烯膠體晶體溶液；所述膠體球是直徑為500?IOOOnm的聚苯乙烯膠體球。
[0012]第三步、合成FeGa空心球納米陣列；
工序一、磁控濺射FeGa膜；
將第二步合成的帶有膠體晶體模板的襯底置於高真空磁控濺射鍍膜機中；將FeGa合金靶材放置於磁控濺射靶位，抽真空，進行濺射鍍膜，從而在帶有膠體晶體模板的襯底上合成FeGa膜；
所述濺射鍍膜的濺射功率為70±5瓦，預濺射時間1000±50秒，濺射時間1500?5000秒。
[0013]所述FeGa合金靶材中Fe =Ga的原子比為1:1。
[0014]工序二、去除膠體晶體模板；
將工序一所合成的FeGa膜浸入到二氯甲烷中，使膠體球溶於二氯甲烷，得到去除膠體球後的FeGa空心球陣列。
[0015]本發明可以達到的技術效果是:
由於FeGa合金具有較大的磁致伸縮係數,飽和磁致伸縮係數大於300ppm,且FeGa合金的飽和磁場很小，機械強度高，其抗壓強度大於lOOMPa，抗拉強度大於300MPa，因此具有良好的延展性；本發明將FeGa材料做成金屬光子晶體,可通過外加磁場,利用FeGa良好的磁滯伸縮性能來調控材料的形態結構，能夠實現進一步調控材料的光學方面性能，在微納器件應用方面具有重要的意義。
[0016]本發明所製備的FeGa空心球納米陣列材料適用面廣。
[0017]本發明製備簡便。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步詳細的說明:
圖1是採用本發明FeGa空心球納米陣列材料的製備方法製備得出的直徑為I微米的FeGa空心球納米陣列材料，利用場發射掃描電鏡(JEOL JSM-6700 F型)得到的側面掃描電鏡照片；空心球直徑為I微米，平均厚度約60納米，空心球的底部存在小孔，表明其內部是空心的；
圖2是採用本發明製備得出的直徑為500納米的FeGa空心球納米陣列材料，利用場發射掃描電鏡(JEOL JSM-6700 F型)得到的側面掃描電鏡照片；空心球直徑為500納米；
圖3是利用Hitachi UV4100型紫外-可見光譜儀對直徑為I微米的FeGa空心球納米陣列材料進行光吸收測試的結果；其中，縱坐標為相對強度，橫坐標為光波長；光吸收測試結果表明，FeGa陣列膜在200?400 nm具有很強的寬紫外吸收性能，同時外加磁場能有效改變FeGa陣列膜紫外光吸收性能；
圖4是利用Hitachi UV4100型紫外-可見光譜儀對直徑為500納米的FeGa空心球納米陣列材料進行光吸收測試的結果。
【具體實施方式】
[0019]本發明可磁場調控寬紫外光吸收性能的FeGa空心球納米陣列材料，包括襯底、FeGa空心球陣列膜，FeGa空心球陣列膜覆蓋於襯底上；FeGa空心球陣列膜由多個FeGa空心球單層緊密排列為呈蜂巢形的六方陣列，空心球的孔間相互連通；
FeGa空心球的直徑為500?1000 nm, FeGa空心球的球殼平均壁厚為20?120nm ； 襯底可以是玻璃襯底或單晶矽片襯底。
[0020]本發明可磁場調控寬紫外光吸收性能的FeGa空心球納米陣列材料的製備方法，包括以下步驟:
第一步、對襯底進行清洗；
玻璃襯底的清洗步驟為:
工序一、將襯底置於丙酮中超聲清洗40分鐘，然後用蒸餾水清洗多次；
工序二、將襯底置於乙醇中超聲清洗40分鐘，然後用蒸餾水清洗多次；
工序三、將襯底置於蒸餾水中超聲清洗30分鐘；
工序四、將襯底置於濃硫酸與雙氧水的混合液(濃硫酸與H2O2的體積比為3:1)中浸泡8小時，然後超聲清洗60分鐘，再用蒸餾水反覆清洗；
工序五、將襯底置於氨水、雙氧水、去離子水(氨水:雙氧水:去離子水的體積比為I: 1:3)的混合液中超聲清洗60分鐘，用蒸餾水清洗多次後置於蒸餾水中待用；襯底在蒸餾水中待用的時間不大於7天。
[0021]矽襯底的清洗步驟為:
工序一、將襯底置於丙酮中超聲清洗40分鐘，然後用蒸餾水清洗多次；
工序二、將襯底置於乙醇中超聲清洗40分鐘，然後用蒸餾水清洗多次；
工序三、將襯底置於蒸餾水中超聲清洗30分鐘後置於蒸餾水中待用；襯底在蒸餾水中待用的時間不大於7天。
[0022]第二步、在襯底上合成膠體晶體模板；
採用氣-液界面合成法，使膠體球附於襯底表面，形成膠體晶體模板；具體方法為:
取10微升膠體球溶液(質量比10%的聚苯乙烯膠體晶體溶液)，將其按照體積比1:1比例與無水乙醇混合；取一乾淨的培養皿，再取一經過清洗的襯底靜置於培養皿中；
在培養皿中加入去離子水，使水面微高於襯底邊緣；
通過移液器將膠體球溶液與無水乙醇的混合液滴到襯底表面，混合液在襯底邊緣與去離子水發生界面作用，在表面張力的作用下，使膠體球浮於液體表面，形成規則的納米結構膜；
在培養皿中再次加入去離子水，將膜面抬高，再用襯底如玻璃片或矽片將其撈起，得到帶有膠體晶體模板的襯底；該膠體晶體模板為具有分離形式的聚苯乙烯膠體微球陣列。
[0023]膠體球可以通過現有技術製得或從市場購得；膠體球可以是直徑為500~1000nm的聚苯乙烯膠體球；
第三步、合成FeGa空心球納米陣列；
工序一、磁控濺射FeGa膜；
將第二步合成的帶有膠體晶體模板的襯底置於高真空磁控濺射鍍膜機中進行濺射鍍膜；所選用的靶材為高純度FeGa合金靶材，其純度為99.99%，Fe =Ga的原子比為1:1 ；
將FeGa濺射靶材放置於磁控濺射靶位，抽真空，至高真空磁控濺射鍍膜機的真空爐內的真空度達到10_5~10_6 Pa時，注入氬氣並使氣壓維持6毫託，進行濺射鍍膜，從而在帶有膠體晶體模板的襯底上合成FeGa材料；
濺射功率為70瓦，預濺射時間1000秒，濺射時間1 500~5000秒；
工序二、去除膠體晶體模板；
將工序一所合成的FeGa材料浸入到二氯甲烷中，浸沒I分鐘，使聚苯乙烯膠體球溶於二氯甲烷；然後，可以在丙酮中浸泡I分鐘，將二氯甲烷溶劑中的一些微量殘留物去除?』最後取出後在室溫下烘乾，得到去除聚苯乙烯膠體球後的FeGa空心球陣列，即。
[0024]實施例1:
合成直徑為I微米的FeGa空心球陣列膜:
1、取10微升直徑為I微米的聚苯乙烯膠體球與10微升無水乙醇溶液混合，在培養皿中利用氣-液界面合成法合成膠體晶體模板，用矽片將其撈起，多餘的水分用濾紙吸掉；
2、將膠體晶體模板置於真空室進行濺射鍍膜，抽真空至10_5Pa，衝入高純氬氣維持6毫託，濺射功率70瓦，預濺射1000秒，濺射5000秒；
3、將樣品取出浸入到二氯甲烷中，浸沒I分鐘，再在丙酮中浸泡I分鐘，製得形貌如圖1所示，紫外光吸收性能如圖3所示。
[0025]實施例2:
合成直徑為500nm的FeGa空心球陣列膜:
1、取10微升直徑為500nm的聚苯乙烯膠體球與無水乙醇按照1:1比例混合，在培養皿中利用氣-液界面合成法合成膠體晶體模板，用矽片將其撈起；
2、將膠體晶體模板置於真空室進行濺射鍍膜，抽真空至10_5Pa，衝入氬氣維持6毫託，濺射功率70瓦，預濺射1000秒，濺射1500秒；
3、將樣品取出浸入到二氯甲烷中，浸沒I分鐘，再在丙酮中浸泡I分鐘，製得形貌如圖2所示，紫外光吸收性能如圖4所示。
[0026]製得的樣品其在紫外，尤其是200~400納米區間，出現強的紫外吸收。此外，紫外吸收係數從0.73~0.95可通過外加磁場來進行調控。[0027]對本發明所製得的FeGa空心球納米陣列材料分別使用場發射掃描電子顯微鏡和X-射線光電子能譜儀進行觀察與測試後，從得到的掃描電鏡照片和X-射線光電子能譜圖以及測試結果可知，樣品為FeGa空心球陣列，空心球直徑為0.5?I微米，球殼厚度為20?120 nm。
[0028]對本發明所製得的FeGa空心球納米陣列材料的磁滯回線進行測量，測量結果顯示了良好的室溫鐵磁性，矯頑力約為2000e，飽和場約為30000e。
[0029]對本發明所製得的FeGa空心球納米陣列材料在不同磁場下的光吸收性能進行測量，在零場下的測量結果顯示在紫外區域存在明顯的較寬範圍的光吸收，而隨著磁場的增力口，紫外吸收逐漸平緩並消失，磁場調控效果明顯，且所需外場不大(最大約20000e)，容易實現。
[0030]對本發明所製得的FeGa空心球納米陣列材料進行調控FeGa紫外吸收所需磁場不大，一般為幾百至上千奧斯特，易於實現，為磁性器件的應用提供一條簡潔而經濟的途徑。
[0031]本發明可合成多種材料空心球陣列，可廣泛應用於納米器件加工及多功能納米器件製備，應用於金屬光子晶體、傳感器及磁光信號顯示、轉化和探測等領域。
[0032]顯然，本領域的技術人員可以對本發明的製備方法進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和範圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬於本發明權利要求及其等同技術的範圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。
【權利要求】
1.一種可磁場調控寬紫外光吸收性能的FeGa空心球納米陣列材料，其特徵在於，包括襯底、FeGa空心球陣列膜，FeGa空心球陣列膜覆蓋於襯底上； 所述FeGa空心球陣列膜由多個FeGa空心球單層緊密排列為蜂巢形陣列； 所述FeGa空心球的直徑為500~lOOOnm，壁厚為20~120nm。
2.根據權利要求1所述的可磁場調控寬紫外光吸收性能的FeGa空心球納米陣列材料的製備方法，其特徵在於，所述空心球的孔間相互連通。
3.一種權利要求1所述的可磁場調控寬紫外光吸收性能的FeGa空心球納米陣列材料的製備方法，其特徵在於，包括以下步驟: 第一步、對襯底進行清洗； 第二步、在襯底上合成膠體晶體模板； 第三步、合成FeGa空心球納米陣列； 工序一、磁控濺射FeGa膜； 將第二步合成的帶有膠體晶體模板的襯底置於高真空磁控濺射鍍膜機中；將FeGa合金靶材放置於磁控濺射靶位，抽真空，進行濺射鍍膜，從而在帶有膠體晶體模板的襯底上合成FeGa膜； 工序二、去除膠體晶體模板； 將工序一所合成的FeGa膜浸入到二氯甲烷中，使膠體球溶於二氯甲烷，得到去除膠體球後的FeGa空心球陣列。
4.根據權利要求3所述的可磁場調控寬紫外光吸收性能的FeGa空心球納米陣列材料的製備方法，其特徵在於，所述FeGa合金靶材中Fe =Ga的原子比為1:1。
5.根據權利要求3所述的可磁場調控寬紫外光吸收性能的FeGa空心球納米陣列材料的製備方法，其特徵在於，所述第三步工序一中濺射鍍膜的濺射功率為70±5瓦，預濺射時間1000 ±50秒，濺射時間1500~5000秒。
6.根據權利要求3所述的可磁場調控寬紫外光吸收性能的FeGa空心球納米陣列材料的製備方法，其特徵在於，所述襯底為玻璃襯底，其第一步的清洗步驟為: 工序一、將襯底置於丙酮中超聲清洗40±5分鐘，然後用蒸餾水清洗多次； 工序二、將襯底置於乙醇中超聲清洗40±5分鐘，然後用蒸餾水清洗多次； 工序三、將襯底置於蒸餾水中超聲清洗30±5分鐘； 工序四、將襯底置於濃硫酸與雙氧水的混合液中浸泡8±0.5小時，然後超聲清洗60±5分鐘，再用蒸餾水反覆清洗；其中濃硫酸與雙氧水的體積比為3:1 ; 工序五、將襯底置於氨水、雙氧水、去離子水的混合液中超聲清洗60±5分鐘，用蒸餾水清洗多次後置於蒸餾水中待用；襯底在蒸餾水中待用的時間不大於7天；其中氨水:雙氧水:去離子水的體積比為1:1:3。
7.根據權利要求3所述的可磁場調控寬紫外光吸收性能的FeGa空心球納米陣列材料的製備方法，其特徵在於，所述襯底為矽片襯底，其第一步的清洗步驟為: 工序一、將襯底置於丙酮中超聲清洗40±5分鐘，然後用蒸餾水清洗多次； 工序二、 將襯底置於乙醇中超聲清洗40±5分鐘，然後用蒸餾水清洗多次； 工序三、將襯底置於蒸餾水中超聲清洗30±5分鐘後置於蒸餾水中待用；襯底在蒸餾水中待用的時間不大於7天。
8.根據權利要求3所述的可磁場調控寬紫外光吸收性能的FeGa空心球納米陣列材料的製備方法，其特徵在於，所述第二步的方法為:採用氣-液界面合成法，使膠體球附於襯底表面，形成膠體晶體模板。
9.根據權利要求3所述的可磁場調控寬紫外光吸收性能的FeGa空心球納米陣列材料的製備方法，其特徵在於，所述第二步的具體方法為: 將膠體球溶液按照體積比為1:1的比例與無水乙醇混合； 將膠體球溶液與無水乙醇的混合液滴到襯底表面，所述混合液在襯底邊緣與去離子水發生界面作用，在表面張力的作用下，使膠體球浮於液體表面，形成規則的納米結構膜； 用襯底將其撈起，得到帶有膠體晶體模板的襯底。
10.根據權利要求8或9所述的可磁場調控寬紫外光吸收性能的FeGa空心球納米陣列材料的製備方法，其特徵在於，所述膠 體球溶液為質量比10%的聚苯乙烯膠體晶體溶液；所述膠體球是直徑為500~1000nm的聚苯乙烯膠體球。
【文檔編號】B22F1/00GK103769577SQ201410011134
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月10日 優先權日:2014年1月10日
【發明者】李志剛, 馮尚申, 邵先亦, 陳衛平, 李豔萍, 王天樂 申請人:李志剛, 台州學院