專利名稱：有序納米孔氧化鋁模板光學(xué)常數(shù)的測試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種計量技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體地說，涉及一種有序納米孔氧化鋁模板光學(xué)常數(shù)的測試方法。
背景技術(shù)：
自組裝有序納米孔氧化鋁模板具有高度有序的六角型周期性孔結(jié)構(gòu)，孔間距為50到400納米，孔徑大小為20到200納米，厚度為100納米到200微米，孔的面密度達(dá)到每平方厘米1010到1011。這種具有納米結(jié)構(gòu)的模板不僅廣泛應(yīng)用于過濾材料、表面防腐、催化劑載體和生物陶瓷材料，而且可以用于制備大面積高度有序的各種金屬、氧化物、半導(dǎo)體材料納米孔、納米點(diǎn)、納米棒、納米線及納米管陣列結(jié)構(gòu)體系。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，對于有序納米孔氧化鋁模板的光學(xué)性質(zhì)研究主要集中在光致發(fā)光以及拉曼散射等方面。而常用獲取普通單一薄膜材料折射率以及光學(xué)厚度的方法，即為R.Swanepoel在《Journal of Physics EScientificInstruments》(物理雜志E科學(xué)儀器)，第16卷(1983)1214-1222頁報道的包絡(luò)法。該方法基于薄膜透射譜中的干涉條紋，計算極值位置對應(yīng)的折射率，并根據(jù)布拉格公式2nd cosθ＝miλi，可得到薄膜的厚度?；谇叭藢ρ趸X模板光致發(fā)光譜的研究，J.Hohlbein等人在《physica status solidi(a)》(德國固體物理雜志)，第201卷(2004)803-807頁報道了根據(jù)氧化鋁模板在生長過程中光致發(fā)光譜的法布里—珀羅干涉條紋，根據(jù)透射譜中的干涉條紋的極值大小，原位測量了氧化鋁模板的厚度。但是上述兩種測量方法中，均假設(shè)了玻璃襯底是透明的并且不吸收光，未考慮薄膜表面的光散射、光反射等引入的能量損耗，以及襯底吸收。然而，事實(shí)上，在光譜區(qū)，光透過玻璃襯底，存在顯著的光強(qiáng)損失。檢索中還發(fā)現(xiàn)，J.Choi等人在《Journal of Applied Physics》(美國應(yīng)用物理雜志)，第94卷(2003)4757-4762頁報道了通過測量在磷酸溶液中電化學(xué)腐蝕生成的氧化鋁模板的截面在遠(yuǎn)紅外波段的反射率，計算得到氧化鋁的介電常數(shù)，提出生成的氧化鋁包括有兩層結(jié)構(gòu)，分別是里層的純氧化鋁和外層含有雜質(zhì)的氧化鋁。但是對于應(yīng)用廣泛的草酸溶液中電化學(xué)腐蝕生成的有序納米孔氧化鋁模板的光學(xué)常數(shù)測量，缺乏詳細(xì)的研究報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有測試方法的不足，提出了一種有序納米孔氧化鋁模板光學(xué)常數(shù)的測試方法，使其通過簡單的擬合實(shí)驗(yàn)透射光譜的方法，分別得出氧化鋁模板的納米孔深、阻礙層的厚度、隨波長變化的折射率，以及帶隙、帶尾大小。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，利用二次電化學(xué)方法腐蝕高純鋁片生成的具有不同厚度和不同納米孔徑的有序納米孔氧化鋁模板，將這些氧化鋁模板分別貼在透明的玻璃襯底上，測試所有這些樣品在190-900nm波長范圍內(nèi)的透射譜。利用修正過的四層介質(zhì)模型擬合透射光譜中干涉條紋計算得出模板的納米孔深、阻礙層厚度和隨波長變化的折射率，通過吸收系數(shù)公式擬合透射光譜中接近帶隙的吸收邊，計算得出有序納米孔氧化鋁模板的能帶帶隙和帶尾。
所述的利用修正過的四層介質(zhì)模型擬合透射光譜中干涉條紋，得出模板的納米孔深、阻礙層厚度和隨波長變化的折射率，具體如下即利用對透射光譜進(jìn)行擬合的四層介質(zhì)模型，基于包絡(luò)法，考慮襯底對光的吸收，薄膜的透射率可表示為Tr(λ,df)=A(1-L)exp(-αdf)B+Cexp(-αdf)+Dexp(-αdf)]]>其中A=16n3(1-ρ)(n22+k22)U,B=st-ρsvU,α=4πk2/λ,]]> D=uv-ρtuU2,s=(n1+n2)2+k22,t=(n2+n3)2+k22,u=(n1-n2)2+k22,]]> Tr(λ)為透射率大小，α為吸收系數(shù)，df為薄膜厚度，k2為薄膜的消光系數(shù)，n1、n2和n3分別為空氣、薄膜以及玻璃襯底的折射率，U則為由于襯底吸收而引入的一個修正因子，這里的L是將薄膜表面的光散射或者光反射引入的損耗均包括在內(nèi)的修正因子?？紤]到多孔氧化鋁模板中包括兩部分，氧化鋁和空氣。通過整個氧化鋁模板的透射率為通過不同厚度氧化鋁的透射率之和，即為阻礙層(厚度為d2)和整個模板厚度d＝d1+d2(包括阻礙層厚度d2和有序孔陣列厚度d1)，而它們在整個模板的透射率中所占的比率分別為p和(1-p)Tr(λ，df)＝Tr(λ，(d1+d2))·(1-p)+Tr(λ，d2)·p其中p為多孔氧化鋁模板的孔隙率，可根據(jù)公式p=2π(r/D)2/3]]>計算所得，r為納米孔的半徑，D為納米孔的孔間距。通過最小二乘法，循環(huán)比較每次擬合所得的理論透射率與實(shí)驗(yàn)透射率之間的差值，以獲得誤差最小的擬合結(jié)果，從而得到模板的納米孔深、阻礙層厚度。所得的厚度與掃描電子顯微鏡測試結(jié)果符合得相當(dāng)好。該擬合方法也可同時計算得到有序納米孔氧化鋁模板中單純氧化鋁隨波長變化的折射率。
所述的通過吸收系數(shù)公式擬合透射光譜中接近帶隙的吸收邊，計算得出有序納米孔氧化鋁模板的能帶帶隙和帶尾，具體如下吸收系數(shù)公式α(E)=α0/[1+exp(Eg-EΔE)]]]>(其中α0為擬合系數(shù)，Eg為能帶帶隙，ΔE為烏爾巴赫帶尾)擬合吸收邊透射光譜，得到有序納米孔模板的能帶帶隙和帶尾分別約為4.2±0.1eV和0.15±0.02eV。
本發(fā)明通過測量不同厚度、不同孔徑的多孔氧化鋁模板的透射光譜譜線，獲得有序納米孔氧化鋁模板的幾個重要光學(xué)常數(shù)，即模板的納米孔深和阻礙層厚度，隨波長變化的折射率，以及多孔氧化鋁模板的能帶帶隙和帶尾。本發(fā)明有效地利用簡單的光學(xué)方法，準(zhǔn)確獲取這些常數(shù)數(shù)值。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明的內(nèi)容實(shí)施例1首先是制備氧化鋁模板，將高純(99.999％)鋁片用丙酮清洗后，進(jìn)行一次電化學(xué)腐蝕，腐蝕條件為0.3摩爾/升草酸電解液，電壓40伏，溫度12℃，一次腐蝕時間為4小時，將一次腐蝕后的樣品在溫度為60℃的6.0％重量百分比磷酸和1.8％重量百分比鉻酸的混合液中浸泡6小時，用去離子水清洗后進(jìn)行二次腐蝕，二次腐蝕的條件和一次腐蝕一樣，但是腐蝕時間縮短為20分鐘，所制備的模板呈現(xiàn)高度有序的六角形結(jié)構(gòu)，孔徑為40納米，孔間距為100納米。利用0℃的由75％重量百分比飽和硫酸銅和25％重量百分比鹽酸組成的混合溶液，去除二次腐蝕中未被腐蝕的鋁得到單通的氧化鋁模板，在去離子水中將氧化鋁模板貼于透明的玻璃襯底上，并在室溫下干燥。
利用法國Jobin Yvon 460單色儀，測量制備所得的有序納米孔氧化鋁模板在190-900nm波長范圍內(nèi)的透射光譜。透射光譜包括較低波數(shù)的干涉條紋，以及高波數(shù)接近帶隙的吸收邊。
分析透射光譜中較低波數(shù)的干涉條紋，利用上述四層介質(zhì)模型，單一厚度的薄膜的透射率表示為Tr(λ,df)=A(1-L)exp(-αdf)B+Cexp(-αdf)+Dexp(-2αdf)]]>其中各個參數(shù)如上所述。通過整個氧化鋁模板的透射率為通過不同厚度氧化鋁的透射率之和，即為阻礙層(厚度為d2)和整個模板厚度d＝d1+d2(包括阻礙層厚度d2和有序孔陣列厚度d1)，利用多孔氧化鋁模板的孔隙率p(p=2π(r/D)2/3=0.145)]]>，整個有序納米孔氧化鋁模板的透射率表示為Tr(λ，df)＝Tr(λ，(d1+d2))·(1-p)+Tr(λ，d2)·p＝0.855Tr(λ，(d1+d2))+0.145Tr(λ，d2)通過最小二乘法，循環(huán)比較每次擬合所得的理論透射率與實(shí)驗(yàn)透射率之間的差值，以獲得誤差最小的擬合結(jié)果，得到有序納米孔氧化鋁模板的納米孔深為2.825μm(通過掃描電子顯微鏡測量所得結(jié)果為2.8μm)、阻礙層厚度為0.040μm和模板中單純氧化鋁隨波長變化的折射率，如在波長為600nm時其折射率約為1.65。
根據(jù)吸收系數(shù)公式α(E)=α0/[1+exp(Eg-EΔE)]]]>(其中α0為擬合系數(shù)，Eg為能帶帶隙，ΔE為烏爾巴赫帶尾)擬合吸收邊透射光譜，得到有序納米孔模板的能帶帶隙和帶尾分別約為4.2±0.1eV和0.15±0.02eV，并且隨模板厚度和孔隙率變化不大。
實(shí)施例2首先是制備氧化鋁模板，將高純(99.999％)鋁片用丙酮清洗后，進(jìn)行一次電化學(xué)腐蝕，腐蝕條件為0.3摩爾/升草酸電解液，電壓40伏，溫度12℃，一次腐蝕時間為4小時，將一次腐蝕后的樣品在溫度為60℃的6.0％重量百分比磷酸和1.8％重量百分比鉻酸的混合液中浸泡6小時，用去離子水清洗后進(jìn)行二次腐蝕，二次腐蝕的條件和一次腐蝕一樣，但是腐蝕時間為30分鐘，所制備的模板呈現(xiàn)高度有序的六角形結(jié)構(gòu)，孔徑為40納米，孔間距為100納米。將二次腐蝕所得的氧化鋁模板浸泡在恒溫在30℃的5.0％重量百分比的磷酸溶液中，擴(kuò)大納米孔孔徑，浸泡時間分別為30分鐘。利用0℃的由75％重量百分比飽和硫酸銅和25％重量百分比鹽酸組成的混合溶液，去除二次腐蝕中未被腐蝕的鋁得到單通的氧化鋁模板，在去離子水中將氧化鋁模板貼于透明的玻璃襯底上，并在室溫下干燥。
利用法國Jobin Yvon 460單色儀，測量制備所得的有序納米孔氧化鋁模板在190-900nm波長范圍內(nèi)的透射光譜。透射光譜包括較低波數(shù)的干涉條紋，以及高波數(shù)接近帶隙的吸收邊。
分析透射光譜中較低波數(shù)的干涉條紋，利用上述四層介質(zhì)模型，單一厚度的薄膜的透射率表示為Tr(λ,df)=A(1-L)exp(-αdf)B+Cexp(-αdf)+Dexp(-2αdf)]]>其中各個參數(shù)如上所述。通過整個氧化鋁模板的透射率為通過不同厚度氧化鋁的透射率之和，即為阻礙層(厚度為d2)和整個模板厚度d＝d1+d2(包括阻礙層厚度d2和有序孔陣列厚度d1)，利用多孔氧化鋁模板的孔隙率p，整個有序納米孔氧化鋁模板的透射率表示為Tr(λ，df)＝Tr(λ，(d1+d2))·(1-p)+Tr(λ，d2)·p根據(jù)氧化鋁的溶解速度推算，此時，孔隙率p與實(shí)例1不同，在擬合過程中作為一個擬合參數(shù)，取值范圍為0.8-1.0。通過最小二乘法，循環(huán)比較每次擬合所得的理論透射率與實(shí)驗(yàn)透射率之間的差值，以獲得誤差最小的擬合結(jié)果，得到有序納米孔氧化鋁模板的納米孔深為3.367μm(通過掃描電子顯微鏡測量所得結(jié)果為3.4μm)、阻礙層厚度為0.034μm和模板中單純氧化鋁隨波長變化的折射率，如在波長為600nm時其折射率約為1.77。
根據(jù)吸收系數(shù)公式α(E)=α0/[1+exp(Eg-EΔE)]]]>(其中α0為擬合系數(shù)，Eg為能帶帶隙，ΔE為烏爾巴赫帶尾)擬合吸收邊透射光譜，得到有序納米孔模板的能帶帶隙和帶尾分別約為4.2+0.1eV和0.15±0.02eV，并且隨模板厚度和孔隙率變化不大。
權(quán)利要求
1.一種有序納米孔氧化鋁模板光學(xué)常數(shù)的測試方法，其特征在于，利用二次電化學(xué)方法腐蝕高純鋁片生成的各種厚度和納米孔徑的有序納米孔氧化鋁模板，測量有序納米孔氧化鋁模板的透射光譜，通過修正過的四層介質(zhì)模型擬合透射光譜中的干涉條紋，得出氧化鋁模板的納米孔深、阻礙層厚度以及隨波長變化的折射率，利用吸收系數(shù)公式擬合透射光譜中接近帶隙的吸收邊，得出有序納米孔氧化鋁模板的能帶的帶隙和帶尾。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有序納米孔氧化鋁模板光學(xué)常數(shù)的測試方法，其特征是，所述的利用修正過的四層介質(zhì)模型擬合透射光譜中干涉條紋，得出模板的納米孔深、阻礙層厚度和隨波長變化的折射率，具體如下整個多孔氧化鋁模板的透射率是通過各種厚度氧化鋁的透射率之和，即為阻礙層，和整個模板厚度d＝d1+d2，d2為阻礙層厚度，d1為有序孔陣列厚度，而它們在整個模板的透射率中所占的比率分別為p和1-pTr(λ，df)＝Tr(λ，(d1+d2))·(1-p)+Tr(λ，d2)·p其中p為多孔氧化鋁模板的孔隙率，根據(jù)公式p=2π(r/D)2/3]]>得到，r為納米孔的半徑，D為納米孔的孔間距，通過最小二乘法，循環(huán)比較每次擬合所得的理論透射率與實(shí)驗(yàn)透射率之間的差值，以獲得誤差最小的擬合結(jié)果，從而得到有序納米孔氧化鋁模板的納米孔深、阻礙層厚度和隨波長變化的折射率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有序納米孔氧化鋁模板光學(xué)常數(shù)的測試方法，其特征是，所述的通過吸收系數(shù)公式擬合透射光譜中接近帶隙的吸收邊，得出有序納米孔氧化鋁模板的能帶帶隙和帶尾，具體如下根據(jù)吸收系數(shù)公式α(E)=α0/[1+exp(Eg-EΔE)],]]>其中α0為擬合系數(shù)，Eg為能帶帶隙，ΔE為烏爾巴赫帶尾，擬合吸收邊透射光譜，得到有序納米孔模板的能帶帶隙和帶尾分別為4.2±0.1eV和0.15±0.02eV。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或者2或者3所述的有序納米孔氧化鋁模板光學(xué)常數(shù)的測試方法，其特征是，透射光譜為190-900nm波長范圍內(nèi)的透射光譜。
全文摘要
一種有序納米孔氧化鋁模板光學(xué)常數(shù)的測試方法，利用二次電化學(xué)方法腐蝕高純鋁片生成的各種厚度和納米孔徑的有序納米孔氧化鋁模板，測量有序納米孔氧化鋁模板的透射光譜，通過修正過的四層介質(zhì)模型擬合透射光譜中的干涉條紋，得出氧化鋁模板的納米孔深、阻礙層厚度以及隨波長變化的折射率，利用吸收系數(shù)公式擬合透射光譜中接近帶隙的吸收邊，得出有序納米孔氧化鋁模板的能帶的帶隙和帶尾。本發(fā)明有效地利用簡單的光學(xué)方法，準(zhǔn)確獲取這些常數(shù)數(shù)值。
文檔編號G06F19/00GK1715871SQ20051002758
公開日2006年1月4日 申請日期2005年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月7日
發(fā)明者沈文忠, 徐維麗, 丁古巧, 陳紅, 鄭茂俊 申請人:上海交通大學(xué)