專利名稱：一種顏色可調(diào)且具有高飽和度的氧化鋁薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種顏色可調(diào)且具有高飽和度的氧化鋁薄膜的制備方法，屬于光學(xué)材料制備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
結(jié)構(gòu)色在生物學(xué)中有著廣泛的應(yīng)用，自然界中一些具有光干涉的結(jié)構(gòu)(如鳥(niǎo)類(lèi)的羽毛和蝴蝶翅膀等)，不僅有鮮艷的顏色，而且會(huì)隨人們觀察角度的不同而變化。結(jié)構(gòu)色是由于物體具有的與可見(jiàn)光波長(zhǎng)相比擬的周期性微結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生光的干涉引起的。光干涉結(jié)構(gòu)在彩顯、裝飾和防偽等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。最近據(jù)中國(guó)科學(xué)院研究人員報(bào)道，由于光的干涉超薄的帶有鋁基的多孔有序的陽(yáng)極氧化鋁薄膜在自然光下可產(chǎn)生不同的顏色，然而這種顏色飽和度較差。為了提高顏色的純度及其飽和度，研究人員在帶有鋁基的陽(yáng)極氧化鋁薄膜上鑲嵌碳納米管。值得注意的是以上實(shí)驗(yàn)均未剝離氧化鋁背面的鋁基，這大大限制了陽(yáng)極氧化鋁在顏色顯示器等微型器件中的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種顏色可調(diào)且具有高飽和度的氧化鋁薄膜的制備方法，解決了以往制備工藝復(fù)雜、制備成本高，以及不能很好地控制顏色等技術(shù)問(wèn)題。本發(fā)明采取的技術(shù)方案是這樣的一種顏色可調(diào)且具有高飽和度的氧化鋁薄膜的制備方法，包括以下步驟(1)將純度為99. 999%的高純鋁片置于管式爐中，500°C下采用氬氣做保護(hù)氣體， 退火處理2. 5h，以消除鋁片內(nèi)部的應(yīng)力；(2)把退火處理后的鋁片放到丙酮溶液中，進(jìn)行超聲波清洗15min以除去鋁片上的油脂，再將鋁片進(jìn)行電拋光處理5min，清洗除去鋁片表面的拋光液，然后晾干以備陽(yáng)極氧化所用；(3)將鋁片與銅電極固定到電解槽的陽(yáng)極上，然后在電解槽內(nèi)加入濃度為 0. 3mol/L的草酸電解液，將裝有鋁片的銅電極與直流電源的正極相連，石墨棒與直流電源的負(fù)極相連，分別固定在電解槽兩端，進(jìn)行第一次氧化，第一次陽(yáng)極氧化電壓為45V，溫度控制在5°C，氧化時(shí)間為他；(4)用去離子水將第一次氧化后得到的氧化鋁模板沖洗干凈，然后將氧化鋁模板放入由濃度分別為70g/L的磷酸和35g/L的鉻酸按體積比1 1混合而成的混合酸溶液中除去經(jīng)第一次氧化得到的氧化鋁膜，然后進(jìn)行第二次氧化，具體操作如下電解槽內(nèi)加入濃度為0. 3mol/L的草酸溶液，第二次氧化電壓為45V，溫度控制在5°C，第二次氧化時(shí)間為 90 160s ；(5)第二次陽(yáng)極氧化完成后，用飽和氯化銅溶液除去氧化鋁膜背面的鋁基，最后得到由多孔層和阻擋層組成的不同顏色的氧化鋁薄膜。上述制備方法，步驟中，當(dāng)?shù)诙窝趸瘯r(shí)間為90s時(shí)，氧化鋁薄膜顯示紫色。
上述制備方法，步驟中，當(dāng)?shù)诙窝趸瘯r(shí)間為IOOs時(shí)，氧化鋁薄膜顯示藍(lán)色。上述制備方法，步驟中，當(dāng)?shù)诙窝趸瘯r(shí)間為IlOs時(shí)，氧化鋁薄膜顯示藍(lán)綠色。上述制備方法，步驟中，當(dāng)?shù)诙窝趸瘯r(shí)間為120s時(shí)，氧化鋁薄膜顯示綠色。上述制備方法，步驟中，當(dāng)?shù)诙窝趸瘯r(shí)間為140s時(shí)，氧化鋁薄膜顯示橙色。上述制備方法，步驟中，當(dāng)?shù)诙窝趸瘯r(shí)間為160s時(shí)，氧化鋁薄膜顯示紅色。本發(fā)明取得的有益效果是，制備工藝簡(jiǎn)單，易于操作，可以通過(guò)控制氧化時(shí)間來(lái)控制薄膜顏色，并且薄膜顏色的飽和度明顯增加，所制備產(chǎn)品可以替代工業(yè)上廣泛使用的染料、顏料，從而減少污染，低碳環(huán)保，并且可隨意制作各種顯示不同顏色的簡(jiǎn)單圖案，可用于彩顯、裝飾和防偽等領(lǐng)域。


圖1為根據(jù)本發(fā)明第二次氧化不同時(shí)間且去除鋁基后氧化鋁薄膜在自然光下照片。圖2為根據(jù)本發(fā)明第二次氧化不同時(shí)間且去除鋁基后氧化鋁薄膜紫外可見(jiàn)光譜。圖3示出了本發(fā)明實(shí)施例1的氧化鋁薄膜的SEM表面及截面圖。圖4為根據(jù)本發(fā)明對(duì)于一個(gè)氧化鋁薄膜氧化不同時(shí)間去除鋁基后在自然光下照片。圖5示出了本發(fā)明去除鋁基前后的原理圖。圖6為根據(jù)本發(fā)明制備的簡(jiǎn)單圖案。
具體實(shí)施例方式以下具體實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明。需要指出，這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明，而不是限制本發(fā)明的范圍。實(shí)施例1去除鋁基后為藍(lán)綠色陽(yáng)極氧化鋁薄膜的制備(1)將高純鋁片(純度99. 999% )置于管式爐中500°C下退火處理2.證，采用氬氣做保護(hù)氣體，以消除鋁片內(nèi)部的應(yīng)力；(2)把退火處理后的鋁片放到丙酮溶液中，進(jìn)行超聲波清洗15min以除去鋁片上的油脂，最后將鋁片進(jìn)行電拋光處理5min，清洗除去鋁片表面的拋光液，然后晾干以備陽(yáng)極氧化所用；(3)將鋁片與銅電極固定到電解槽的陽(yáng)極上，然后在電解槽內(nèi)加入400ml濃度為 0. 3mol/L的草酸電解液，將裝有鋁片的銅電極與直流電源的正極相連，石墨棒與直流電源的負(fù)極相連，進(jìn)行第一次氧化，第一次氧化電壓為45V，溫度控制在5°C，氧化時(shí)間為他；(4)用去離子水將第一次氧化后得到的氧化鋁模板沖洗干凈，然后將氧化鋁模板放入混合酸溶液中(濃度分別為70g/L的磷酸和35g/L的鉻酸按體積比1 1混合)，除去經(jīng)第一次氧化得到的氧化鋁膜。然后進(jìn)行第二次氧化，具體操作如下采用400ml濃度為 0. 3mol/L的草酸溶液，第二次氧化電壓為45V，溫度控制在5°C，第二次氧化時(shí)間為IlOs ；(5)利用飽和CuCl2去除氧化鋁膜背面鋁基，從而得到去除鋁基后為藍(lán)綠色的陽(yáng)極氧化鋁薄膜。
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采用Sony Dsc-T20數(shù)碼相機(jī)對(duì)氧化鋁薄膜進(jìn)行了拍攝，所得照片如圖1 (c)所示， 圖中薄膜的中間已剝離鋁基呈藍(lán)綠色，而周?chē)慈コX基呈紅色，兩者顏色互補(bǔ)，但前者顏色飽和度更高。使用Hitachi UV-3010紫外可見(jiàn)光譜對(duì)上述薄膜進(jìn)行分析，其結(jié)果顯示于圖2中， 其在500nm時(shí)出現(xiàn)最大值。使用Hitachi S_570掃描電子顯微鏡對(duì)上述薄膜進(jìn)行觀察，分別觀察其表面及截面圖，其結(jié)果顯示于圖3中，可以看到其孔洞排列規(guī)則且薄膜厚度約為240nm。圖5為去除鋁基前后的光干涉的原理圖，可說(shuō)明去除鋁基對(duì)薄膜顏色的影響，a 中上下表面反射所形成的兩相干光位相相同，無(wú)額外的半波程差，即不計(jì)半波損失，根據(jù)公式 aidcos θ = j λ，其中 η = 1. 57(計(jì)算所得)垂直入射 cos θ = 1，d = 240nm, j = 1 可算出λ = 753. 6nm(紅色)b中發(fā)生干涉的兩相干光位相相反，存在半波損失，根據(jù)公式 2ndcos θ = Qj+1) λ/2，其中 d = MOnm，j = 1 可算出 λ = 502. 4nm(藍(lán)綠色)，所以顏色發(fā)生變化。實(shí)施例2去除鋁基后為橙色陽(yáng)極氧化鋁薄膜的制備(1)將高純鋁片(純度99. 999% )置于管式爐中500°C下退火處理2.證，采用氬氣做保護(hù)氣體，以消除鋁片內(nèi)部的應(yīng)力；(2)把退火處理后的鋁片放到丙酮溶液中，進(jìn)行超聲波清洗15min以除去鋁片上的油脂，最后將鋁片進(jìn)行電拋光處理5min，清洗除去鋁片表面的拋光液，然后晾干以備陽(yáng)極氧化所用；(3)將鋁片與銅電極固定到電解槽的陽(yáng)極上，然后在電解槽內(nèi)加入400ml濃度為 0. 3mol/L的草酸電解液。將裝有鋁片的銅電極與直流電源的正極相連，石墨棒與直流電源的負(fù)極相連，進(jìn)行第一次氧化，第一次氧化電壓為45V，溫度控制在5°C，氧化時(shí)間為他；(4)用去離子水將第一次氧化后得到的氧化鋁模板沖洗干凈，然后將氧化鋁模板放入混合酸溶液中(濃度分別為70g/L的磷酸和35g/L的鉻酸按體積比1 1混合)，除去經(jīng)第一次氧化得到的氧化鋁膜。然后進(jìn)行第二次氧化，具體操作如下采用400ml濃度為 0. 3mol/L的草酸溶液，第二次氧化電壓為45V，溫度控制在5°C，第二次氧化時(shí)間為140s ；(5)利用飽和CuCl2去除氧化鋁膜背面鋁基，從而得到去除鋁基后為橙色的陽(yáng)極氧化鋁薄膜。采用Sony Dsc-T20數(shù)碼相機(jī)對(duì)氧化鋁薄膜進(jìn)行了拍攝，所得照片如圖1 (e)所示。使用Hitachi UV-3010紫外可見(jiàn)光譜對(duì)上述薄膜進(jìn)行分析，其結(jié)果顯示于圖2中， 其在620nm時(shí)出現(xiàn)最大值。實(shí)施例3去除鋁基后為紅色陽(yáng)極氧化鋁薄膜的制備(1)將高純鋁片(純度99. 999% )置于管式爐中500°C下退火處理2.證，采用氬氣做保護(hù)氣體，以消除鋁片內(nèi)部的應(yīng)力。(2)把退火處理后的鋁片放到丙酮溶液中，進(jìn)行超聲波清洗15min以除去鋁片上的油脂，最后將鋁片進(jìn)行電拋光處理5min，清洗除去鋁片表面的拋光液，然后晾干以備陽(yáng)極氧化所用；(3)將鋁片與銅電極固定到電解槽的陽(yáng)極上，然后在電解槽內(nèi)加入400ml濃度為 0. 3mol/L的草酸電解液，將裝有鋁片的銅電極與直流電源的正極相連，石墨棒與直流電源的負(fù)極相連，進(jìn)行第一次氧化，第一次氧化電壓為45V，溫度控制在5°C，氧化時(shí)間為他；(4)用去離子水將第一次氧化后得到的氧化鋁模板沖洗干凈，然后將氧化鋁模板放入混合酸溶液中(濃度分別為70g/L的磷酸和35g/L的鉻酸按體積比1 1混合)，除去經(jīng)第一次氧化得到的氧化鋁膜，然后進(jìn)行第二次氧化，具體操作如下采用400ml濃度為 0. 3mol/L的草酸溶液，第二次氧化電壓為45V，溫度控制在5°C，第二次氧化時(shí)間為160s ；(5)利用飽和CuCl2去除氧化鋁膜背面鋁基，從而得到去除鋁基后為紅色的陽(yáng)極氧化鋁薄膜。采用Sony Dsc-T20數(shù)碼相機(jī)對(duì)制備的去除鋁基后為紅色AAO薄膜進(jìn)行了拍攝，所得照片如圖1(f)所示。使用Hitachi UV-3010紫外可見(jiàn)光譜對(duì)上述薄膜進(jìn)行分析，其結(jié)果顯示于圖2中， 其在7IOnm時(shí)出現(xiàn)最大值。實(shí)施案例4同一氧化鋁薄膜上由不同顏色組成的圖案的制備(1)將高純鋁片(純度99. 999% )置于管式爐中500°C下退火處理2.證，采用氬氣做保護(hù)氣體，以消除鋁片內(nèi)部的應(yīng)力；(2)把退火處理后的鋁片放到丙酮溶液中，進(jìn)行超聲波清洗15min以除去鋁片上的油脂，最后將鋁片進(jìn)行電拋光處理5min，清洗除去鋁片表面的拋光液，然后晾干以備陽(yáng)極氧化所用；(3)將鋁片與銅電極固定到電解槽的陽(yáng)極上，然后在電解槽內(nèi)加入400ml濃度為 0. 3mol/L的草酸電解液。將裝有鋁片的銅電極與直流電源的正極相連，石墨棒與直流電源的負(fù)極相連，第一次氧化電壓為45V，溫度控制在5°C，氧化時(shí)間為Mi ；(4)用去離子水將第一次氧化后得到的氧化鋁模板沖洗干凈，然后將氧化鋁模板放入混合酸溶液中(濃度分別為70g/L的磷酸和35g/L的鉻酸按體積比1 1混合)，除去經(jīng)第一次氧化得到的氧化鋁膜。然后進(jìn)行第二次氧化，具體操作如下采用400ml濃度為0. 3mol/L的草酸溶液，第二次氧化電壓為45V，溫度控制在5°C，第二次氧化時(shí)間為60 360s ；(5)利用抗電鍍油墨遮蓋氧化鋁薄膜上表面的部分區(qū)域，繪制部分圖案，晾干后對(duì)氧化鋁薄膜繼續(xù)氧化IOs ；(6)重復(fù)步驟(5)直至完成整個(gè)圖案；(7)利用丙酮超聲清洗去除抗電鍍油墨；(8)利用飽和CuCl2剝離氧化鋁膜背面的鋁基，從而得到帶有由不同顏色組成圖案的超薄氧化鋁薄膜。
權(quán)利要求
1.一種顏色可調(diào)且具有高飽和度的氧化鋁薄膜的制備方法，其特征在于包括以下步驟(1)將純度為99.999%的高純鋁片置于管式爐中500°C下，采用氬氣做保護(hù)氣體，退火處理2. 5h，消除鋁片內(nèi)部的應(yīng)力；(2)把退火處理后的鋁片放到丙酮溶液中，進(jìn)行超聲波清洗15min，除去鋁片上的油脂，最后將鋁片進(jìn)行電拋光處理5min，清洗除去鋁片表面的拋光液，然后晾干以備陽(yáng)極氧化所用；(3)將鋁片與銅電極固定到電解槽的陽(yáng)極上，然后在電解槽內(nèi)加入濃度為0.3mol/L的草酸電解液，將裝有鋁片的銅電極與直流電源的正極相連，石墨棒與直流電源的負(fù)極相連， 分別固定在電解槽兩端，進(jìn)行第一次氧化，第一次陽(yáng)極氧化電壓為45V，溫度控制在5°C，氧化時(shí)間為；(4)用去離子水將第一次氧化后得到的氧化鋁模板沖洗干凈，然后將氧化鋁模板放入由濃度分別為70g/L的磷酸和35g/L的鉻酸按體積比1 1混合而成的混合酸溶液中除去經(jīng)第一次氧化得到的氧化鋁膜，然后進(jìn)行第二次氧化，具體操作如下電解槽內(nèi)加入濃度為 0. 3mol/L的草酸溶液，第二次氧化電壓為45V，溫度控制在5°C，第二次氧化時(shí)間為100 160s ；(5)第二次陽(yáng)極氧化完成后，用飽和氯化銅溶液除去氧化鋁膜背面的鋁基，得到由多孔層和阻擋層組成的不同顏色的氧化鋁薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于第二次氧化時(shí)間100s。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于第二次氧化時(shí)間110s。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于第二次氧化時(shí)間120s。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于第二次氧化時(shí)間140s。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于第二次氧化時(shí)間160s。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種顏色可調(diào)且飽和度高的氧化鋁薄膜的制備方法。主要是采用二次氧化法，氧化過(guò)程在0.3mol/L的草酸溶液中進(jìn)行，當(dāng)電壓、溫度恒定時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)第二次氧化時(shí)間來(lái)調(diào)控陽(yáng)極氧化鋁薄膜的顏色，且通過(guò)剝離鋁基來(lái)提高薄膜顏色的飽和度。并且利用有機(jī)物輔助方法制備出簡(jiǎn)單圖案。本發(fā)明制備的氧化鋁薄膜不但具有鮮艷的色彩，并且可以調(diào)控制備出不同顏色的氧化鋁薄膜及各種簡(jiǎn)單圖案，本發(fā)明可以減少使用染料、顏料所帶來(lái)的污染，具有簡(jiǎn)單可行，低碳環(huán)保的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)C01F7/02GK102181901SQ20111008233
公開(kāi)日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2011年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月2日
發(fā)明者劉力虎, 孫會(huì)元, 張惠敏, 徐芹, 楊玉華, 顧建軍 申請(qǐng)人:河北師范大學(xué)