具有结构色的金属氧化物的制备及表征

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具有纳米级孔径的多孔阳极氧化铝(PAA)薄膜,因其制备工艺相对简单、制备仪器价格低廉、制备过程中的参数易于掌控、实际应用前景广阔,一直以来,深受科学研究人员的青睐。PAA除了在沉积制备一维纳米材料的科研工作中占重要地位外,随着结构色相关的科研工作的进一步的深入开展,它在仿生学领域亦愈受重视。近年来,本课题组在以PAA为母体制备具有结构色的复合薄膜方面已经取得了丰硕成果,这些薄膜可广泛应用于多功能防伪、装饰等领域。基于此,本文采用电化学方法制备了在可见光范围内具有高饱和度亮丽色彩的Zn@PAA薄膜和TiO2薄膜,对样品采用了多种手段进行表征,并分别探讨了两种材料的成色机制。实验和理论研究的结果如下:  (1)室温下,采用一次阳极氧化法,在磷酸电解液中制备了一系列PAA/Al薄膜。并以之为模板进行了Zn的交流电沉积,得到了颜色饱和度较高的Zn@PAA复合薄膜。表征结果显示:金属Zn的沉积增大了有效折射率、减弱了基底AI对光线的反射。另外,紫外可见反射光谱显示,可见光范围内观测到的最大反射波长λmax与自然光下观察到的薄膜颜色基本一致。制备的薄膜满足布拉格公式,其颜色为干涉色。  (2)利用一次阳极氧化法,在高纯Ti片上制备了一系列高饱和度结构色的TiO2薄膜,并且薄膜的颜色可以通过调节氧化时间来调控。对样品的表征结果表明短时间制备得到的超薄TiO2薄膜是非连续薄膜;证明了薄膜厚度d<80nm的超薄TiO2薄膜的颜色为样品所吸收的色光的补色;而当薄膜厚度d>80nm时,满足Bragg-Snell formula方程,表明结构色由干涉作用产生。  (3)采用磁控溅射设备,在平整的Al表面溅射一层厚度约为400纳米的Ti薄膜。利用一次阳极氧化法,在Ti/Al上制备了一系列高饱和度结构色TiO2薄膜,薄膜的颜色与第二部分实验结果类似:对于氧化时间短、薄膜厚度d<80nm的样品结构色是由散射引起的,其颜色为样品所吸收的色光的补色;而当薄膜厚度d>80nm时,结构色由干涉作用产生。
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