多孔阳极氧化铝膜的光学性质及其在纳米材料制备中的应用

摘要

自组装的多孔阳极氧化铝（porous anodicalumina，PAA）薄膜由于具有光波长量级的准周期性微观结构，在可见光范围内呈现明亮的结构色。这种独特的光学性能，使其在开发便携式的化学和生物传感器方面被广泛研究。目前大多数PAA薄膜基传感器需要精密仪器检测，成本非常高，严重阻碍了实际应用的发展。因此PAA薄膜光学性质的研究对其在便携式传感器方面的应用具有非常重要的价值。另外PAA薄膜因其结构简单、孔径分布均匀、孔密度高等特点，可以作为模板合成小尺寸纳米材料，非常遗憾的是目前对较薄PAA模板合成小尺寸纳米材料的研究还不完善，所以本文主要进行了以下几方面的工作：
　　（1）研究了制备过程中预处理条件对PAA薄膜颜色均匀性及亮度的影响。研究发现当退火时间2 h、抛光时间5 min、均匀氧化铝片以及镀铬6.0 nm时，可得到均匀明亮颜色的PAA薄膜。通过一系列的实验，掌握了制备明亮颜色PAA薄膜的实验条件，为进一步研究PAA薄膜光学性质做好了准备。在此基础上，通过改变不同地方的PAA膜厚度，制备了不同颜色组合的图案，即一系列带有圆圈环绕磁滞回线（hysteresis-loop-in-a-circle，HLC）图案的PAA薄膜。
　　（2）探讨了不同结构参数对PAA薄膜颜色的影响。研究表明，PAA薄膜的孔深、孔径、孔隙率、镀铬顺序以及观察角度都对PAA薄膜的颜色产生影响，故通过精确控制PAA薄膜的结构参数（如孔深、孔隙率）及表面金属层，得到了颜色可调的PAA薄膜。究其原因是因为最大反射波长会随PAA薄膜孔深的增加、孔径的减小以及孔隙率的减小向长波长方向移动。而改变扩孔与镀铬的顺序也是最终导致薄膜的孔深不同，所以呈现的颜色也不同。另外，吸附不同折射率的有机物后，PAA薄膜的颜色发生明显的改变，这种改变可以用肉眼辨别出来，响应时间不到1 s，因此PAA薄膜有望应用于方便使用的化学传感器。
　　（3）不同材料一维纳米线的制备与研究。利用带铜基的较薄PAA模板，成功制备了单一金属Ni纳米棒、CoFe合金纳米线以及Ni/Pt异质结纳米线。通过SEM及EDS测量表征了所制备的纳米结构的形貌和成分，XRD结果很好的表征了纳米线的晶体结构。磁性研究表明，不同材质纳米线的磁性可通过纳米结构的形貌和成分很好的调节。

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1 综述

1.1 引言

1.2 结构色

1.3 PAA薄膜光学性质概述

1.4 纳米材料概述

1.5 本论文研究的意义、目标及内容

2 实验方法及表征手段

2.1 实验方法及设备

2.2 表征手段

3 带图案PAA薄膜的制备及颜色均匀性研究

3.1 带图案PAA薄膜的制备过程

3.2 带图案PAA薄膜的表征

3.3 影响PAA颜色均匀性的因素

3.4 本章小结

4 PAA薄膜光学性质研究

4.1 精确调控PAA薄膜颜色

4.2 理论模型分析

4.3 PAA传感器设计与应用

4.4 本章小结

5 薄PAA模板合成一维纳米线阵列

5.1 引言

5.2 薄PAA模板的制备与表征

5.3 薄PAA模板合成单质金属纳米棒阵列

5.4 薄PAA模板合成合金纳米线阵列

5.5 薄PAA模板合成金属异质结纳米线阵列

5.6 本章小结

6 工作总结与展望

6.1 工作总结

6.2 工作展望

致谢

参考文献

附录