固体所多孔阳极氧化铝薄膜颜色的精确调控研究取得进展

2010-6-30 00:00 来源: 合肥物质科学研究院
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  最近,中科院合肥物质科学研究院固体所赵相龙博士在导师孟国文研究员和等离子体所黄青研究员的共同指导下,在碳管与多孔氧化铝组成的复合薄膜(表示为碳管@多孔氧化铝)颜色的调控研究方面取得了重要进展,实现了对碳管@多孔氧化铝复合薄膜的颜色的精细调控。该成果将在防伪领域有应用前景。

  自然界中的一些光干涉结构(如鸟类的羽毛和蝴蝶翅膀等),不仅有鲜艳的颜色,而且会随人们观察角度的不同而变化。光干涉结构在彩显、装饰和防伪等领域有广泛的应用前景,人们已经构筑了一些人工光干涉结构,例如多层膜、硅微孔阵列和孔中嵌有金属的阳极氧化铝复合薄膜等。据报道,在多孔氧化铝膜中生长碳纳米管,可获得由原位生长的碳管与多孔氧化铝组成的复合薄膜,由于复合薄膜表面的反射光和氧化铝/铝基底界面上反射的出射光的干涉作用,会使这种复合薄膜呈现鲜艳的颜色。

  此前研究发现,这种复合薄膜所呈现的颜色主要取决于可见光区具有最大反射率的干涉带(Bmax)的位置,而Bmax随膜厚度的变化而移动。这样,似乎可以通过改变氧化铝膜的厚度对复合薄膜的颜色调控。然而,由于Bmax对氧化铝膜的厚度非常敏感,而且阳极氧化时多孔氧化铝孔的生长速率又非常快,所以在实际中想通过阳极氧化的方法改变氧化铝膜厚度进而调控复合薄膜颜色,是很难实现的,甚至是不可能的。

  固体所赵相龙博士采用稀磷酸对多孔氧化铝膜进行各向同性的缓慢腐蚀,在扩孔的同时减薄了其厚度,成功实现了对碳管@多孔氧化铝复合薄膜的颜色,从橙红色(未腐蚀)逐渐到蓝绿色(磷酸腐蚀)的精细调控。进一步研究发现,如果不进行任何处理,则碳管@多孔氧化铝复合薄膜的表面是疏水的。为了改变这种薄膜的表面性能,他们尝试采用等离子体清洗的方法改善其亲水性。发现经等离子清洗后,大孔径的复合薄膜可以随水的浸入发生明显的颜色改变,这种现象可用于某些特殊场合的水湿度传感器。

  进一步,他们在多孔氧化铝薄膜上事先设计和构筑一些图案,然后对图案的不同部分实施不同时间的腐蚀,结果得到的碳管@多孔氧化铝复合薄膜呈现了不同颜色的图案;并且图案中每一部分的颜色随观察角度的改变发生明显的变化。

  最后,作为一种有趣功能化的演示,他们在磷酸腐蚀之前,用圆珠笔在多孔氧化铝表面书写一些英文字母和汉字(油墨覆盖部分的孔不被腐蚀),结果发现碳管@多孔氧化铝复合薄膜能够真实地记录这些书写的英文字母和汉字,这将在防伪领域有应用前景。

  相关研究成果撰写的论文发表在Adv. Mater. 22, 2637-2641 (2010)。该项工作得到国家自然科学基金(50972145,10975152)和科技部“纳米研究”重大科学研究计划(No.2007CB936601)资助。

引起碳管@多孔氧化铝复合薄膜颜色变化的光干涉示意图

碳管@多孔氧化铝复合薄膜随磷酸腐蚀时间的颜色变化

等离子体清洗后复合薄膜颜色的变化(虚线以下为浸水部分)

(a, b) 有图案的复合薄膜随观察角度不同颜色的变化;(c)水浸入后颜色变化

碳管@多孔氧化铝复合薄膜显示的英文字母和汉字