一種快速制備納米結(jié)構(gòu)陣列的裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種快速制備納米結(jié)構(gòu)陣列的裝置及方法。該裝置包括：夾具，夾持一金屬片；噴嘴，設(shè)置成與金屬片相對，以適于向金屬片的表面噴射電解液；馬達(dá)，與夾具相連接用以驅(qū)動夾具相對噴嘴旋轉(zhuǎn)、垂直移動或者水平移動；可變直流電源，該可變直流電源的陽極電連接金屬片，可變直流電源的陰極電連接噴嘴；腔體，適于回收噴射到金屬片表面的電解液；及制冷裝置，與腔體和噴嘴相連接，該制冷裝置能夠冷卻腔體中的電解液并將冷卻后的電解液供應(yīng)給噴嘴。本發(fā)明通過將電解液回收并冷卻后再次供應(yīng)給噴嘴，并由噴嘴噴射至金屬片的表面進(jìn)行電化學(xué)陽極氧化，因而可以消除因提高電化學(xué)陽極氧化電壓而產(chǎn)生的熱量，使得可以通過提高電化學(xué)陽極氧化電壓來提高納米結(jié)構(gòu)陣列的制備速率，此外，該裝置也適用于制備大面積納米結(jié)構(gòu)陣列。
【專利說明】一種快速制備納米結(jié)構(gòu)陣列的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及納米結(jié)構(gòu)陣列的制備【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種快速制備納米結(jié)構(gòu)陣列的裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近些年來，納米技術(shù)蓬勃發(fā)展，并在不同領(lǐng)域中展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。其中，具有規(guī)整性、周期性的納米結(jié)構(gòu)陣列材料在光子晶體、存儲器和光電子器件等領(lǐng)域有著很廣泛的應(yīng)用。周期性的納米結(jié)構(gòu)陣列通?？捎删劢闺x子束、模板法和電化學(xué)陽極氧化等方法制備得到，其中，電化學(xué)陽極氧化方法是一種簡易的、低成本的自組裝納米結(jié)構(gòu)陣列制備方法。
[0003]由電化學(xué)陽極氧化方法制備的納米結(jié)構(gòu)陣列包括多孔納米陣列和納米管陣列。電化學(xué)制備的多孔納米陣列較常見的為多孔陽極氧化鋁，陽極氧化鋁的制備方法有恒壓、恒流或脈沖氧化等形式，在草酸、硫酸或磷酸等電解液中制得。陽極氧化鋁的典型制備工藝是在室溫條件下，金屬鋁片在0.3M的草酸溶液中并在40V電壓下電化學(xué)氧化制得。該制備方法雖然能夠得到規(guī)整性非常好的氧化鋁納米陣列，但是由于反應(yīng)速率較低，薄膜生長較慢， 限制了其進(jìn)一步的應(yīng)用。
[0004]為了提高薄膜生長速率，在電化學(xué)陽極氧化過程中，可以通過提高電極兩端的電壓或改變電解液的濃度來提高薄膜的生長速率。然而，由于氧化速率增大，反應(yīng)產(chǎn)生大量的反應(yīng)熱，產(chǎn)生的反應(yīng)熱會導(dǎo)致電解槽中局部電解液的溫度迅速升高，如果不及時排除這些熱量，生成的薄膜就有被擊穿的可能性，同時，電解液的溫度升高也會造成生成的薄膜溶解。此外，在較高的電壓條件下，電流密度較大(大于20mAcm_2),產(chǎn)生的反應(yīng)熱較多，當(dāng)金屬片尺寸過大時，在電解槽中不宜通過攪拌等方式移除過多的反應(yīng)熱，所以在電解槽中，不能陽極氧化制備大面積的納米結(jié)構(gòu)陣列。因此，在電解槽中電化學(xué)陽極氧化制備納米結(jié)構(gòu)陣列的方法因其制備的速率較低，又不能制備大面積納米結(jié)構(gòu)陣列而越來越不能滿足納米技術(shù)發(fā)展的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是針對上述【背景技術(shù)】存在的缺陷提供一種能快速制備大面積納米結(jié)構(gòu)陣列的裝置。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的一種快速制備納米結(jié)構(gòu)陣列的裝置，包括:一夾具，夾持一金屬片；一噴嘴，設(shè)置成與所述金屬片相對，以適于向所述金屬片的表面噴射電解液；一馬達(dá)，與所述夾具相連接用以驅(qū)動所述夾具相對所述噴嘴旋轉(zhuǎn)、垂直移動或者水平移動；一可變直流電源，所述可變直流電源的陽極電連接所述金屬片，所述可變直流電源的陰極電連接所述噴嘴；一腔體，適于回收噴射到所述金屬片表面的電解液；及一制冷裝置， 與所述腔體和所述噴嘴相連接，所述制冷裝置能夠冷卻所述腔體中的電解液并將冷卻后的電解液供應(yīng)給所述噴嘴。[0007]本發(fā)明的又一目的是提供一種使用上述裝置快速制備大面積納米結(jié)構(gòu)陣列的方法，包括如下步驟:
[0008]將金屬片夾持于夾具上；
[0009]利用噴嘴向所述金屬片的表面噴射電解液，潤濕所述金屬片的表面；
[0010]將噴射到所述金屬片表面的電解液回收于腔體中；及
[0011]由制冷裝置冷卻所述腔體中的電解液并將冷卻后的電解液重新供應(yīng)至所述噴嘴。
[0012]綜上所述，本發(fā)明一種快速制備納米結(jié)構(gòu)陣列的裝置及方法通過將電解液回收并冷卻后再次供應(yīng)給所述噴嘴，并由所述噴嘴噴射至所述金屬片的表面進(jìn)行電化學(xué)陽極氧化，由于電解液的循環(huán)流動并被冷卻，因而可以消除因提高電化學(xué)陽極氧化電壓而產(chǎn)生的熱量，使得可以通過提高電化學(xué)陽極氧化電壓來提高納米結(jié)構(gòu)陣列的制備速率，此外，該裝置也適用于制備大面積納米結(jié)構(gòu)陣列。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明一種快速制備納米結(jié)構(gòu)陣列的裝置的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖2為本發(fā)明電化學(xué)陽極氧化裝置的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖3為在金屬片表面的邊緣及其側(cè)壁涂上絕緣聚合物后的示意圖。
[0016]圖4為圖3沿A-A’線的剖視圖。
[0017]圖5(a)至5(c)示出了制備納米結(jié)構(gòu)陣列的工藝過程。
[0018]圖6為本發(fā)明一種快速制備納米結(jié)構(gòu)陣列的方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0019]為詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容、構(gòu)造特征、所達(dá)成目的及功效，下面將結(jié)合實施例并配合圖式予以詳細(xì)說明。
[0020]請參閱圖1至圖4，本發(fā)明一種快速制備納米結(jié)構(gòu)陣列的裝置包括電化學(xué)陽極氧化裝置和電解液供應(yīng)裝置。
[0021]電化學(xué)陽極氧化裝置包括一夾具101、一噴嘴102、一馬達(dá)103、一可變直流電源 109及一電壓控制器(圖中未示)。夾具101夾持一大尺寸金屬片200，金屬片200可以是鋁、 鈦和錫等金屬，根據(jù)不同需求，可以選用不同金屬。噴嘴102設(shè)置成與金屬片200相對，以適于向金屬片200噴射電解液104。馬達(dá)103與夾具101相連接用以驅(qū)動夾具101相對噴嘴102旋轉(zhuǎn)、垂直移動或者水平移動。可變直流電源109的陽極通過夾具101電連接金屬片200的背面，可變直流電源109的陰極電連接噴嘴102，在本實施例中，選用了可編程直流電源為電化學(xué)陽極氧化提供電源。電壓控制器與可變直流電源109相連接并控制可變直流電源109的電壓輸出，電壓控制器控制可變直流電源109輸出的電壓為IOV至300V。接通可變直流電源109并向金屬片200噴射電解液104時，噴嘴102、電解液104、金屬片200及可變直流電源109形成一電流回路,從而使金屬片200氧化。
[0022]電解液供應(yīng)裝置包括一腔體105、一電解液槽106、一制冷裝置107及一流量控制器108。腔體105適于回收噴射到金 屬片200的電解液104，具體地，在金屬片200的電化學(xué)陽極氧化過程中，由于馬達(dá)103驅(qū)動夾具101旋轉(zhuǎn)，金屬片200上的電解液104被甩離金屬片200并落入腔體105。電解液槽106分別與腔體105和噴嘴102連通，腔體105中的電解液104被引入電解液槽106，并經(jīng)由電解液槽106流入制冷裝置107中，制冷裝置107將電解液104冷卻至目標(biāo)設(shè)定溫度，然后冷卻后的電解液104被引回到電解液槽106，最后再由電解液槽106重新供應(yīng)給噴嘴102。在電解液槽106與噴嘴102之間設(shè)置有流量控制器 108，用于調(diào)節(jié)電解液104的壓力和流量，以將具有一定壓力和流量的電解液104供應(yīng)給噴嘴102，噴嘴102將冷卻后的電解液104噴射至金屬片200的表面從而氧化金屬片200。
[0023]下面簡要介紹使用上述裝置制備納米結(jié)構(gòu)陣列的工藝過程。首先在進(jìn)行電化學(xué)陽極氧化之前，移動夾具101，使噴嘴102正對著金屬片200的中心，噴嘴102向金屬片200的表面噴射電解液104，同時馬達(dá)103驅(qū)動夾具101以恒定角速度旋轉(zhuǎn)，由于離心力的作用， 噴射至金屬片200表面的電解液104向金屬片200表面的四周分散,從而將金屬片200的表面全部潤濕，金屬片200的表面覆蓋上一層薄電解液層，避免在金屬片200的表面出現(xiàn)金屬-空氣-電解液三相點，因為一旦出現(xiàn)金屬-空氣-電解液三相點，在電化學(xué)陽極氧化時， 就會導(dǎo)致金屬片200表面的電場分布不均勻而無法生成納米結(jié)構(gòu)陣列。
[0024]在將金屬片200的表面潤濕的步驟后且在后續(xù)的將噴射到所述金屬片表面的電解液回收于腔體中的步驟之前，接通可變直流電源109，在較低的恒定電壓下氧化金屬片 200的表面,并在金屬片200的表面形成一層氧化層400,如圖5 (b)所不。在形成氧化層 400的過程中，電化學(xué)陽極氧化的電壓較低，以制備多孔陽極氧化鋁為例，在0.3M的草酸溶液中、溫度為0°C，氧化電壓小于40V或電流密度小于5mAcm_2及氧化時間為I至2分鐘的條件下，可以在鋁片的表面形成幾百納米厚的氧化鋁層。
[0025]噴嘴102繼續(xù)向金屬片200的表面噴射電解液104，同時提高電化學(xué)陽極氧化的電壓，金屬片200的表面進(jìn)一步快速氧化形成納米結(jié)構(gòu)陣列500，如圖5(c)所示。以在草酸溶液中制備多孔陽極氧化鋁為例，將氧化電壓提高到70V至130V，此時的電流密度為20mAcm_2 至200mACnT2，金屬鋁的表面快速氧化形成氧化鋁納米結(jié)構(gòu)陣列。雖然提高電化學(xué)陽極氧化的電壓會在形成納米結(jié)構(gòu)陣列500的過程中產(chǎn)生大量的熱，然而，由于本裝置中的電解液 104是循環(huán)流動并被冷卻，所以產(chǎn)生的熱量能夠迅速被消除，避免產(chǎn)生的熱量對形成的納米結(jié)構(gòu)陣列500造成破壞。由于離子擴(kuò)散等因素影響，金屬片200表面的氧化反應(yīng)主要發(fā)生在與噴嘴102正對著的區(qū)域，因此，金屬片200表面的中心區(qū)域首先被氧化，然后水平移動夾具101并旋轉(zhuǎn)夾具101使金屬片200表面上的其他區(qū)域被氧化，進(jìn)而在金屬片200的整個表面形成納米結(jié)構(gòu)陣列500，因而可 以制備大面積納米結(jié)構(gòu)陣列500。此外，可以根據(jù)需要的氧化物的厚度，設(shè)定夾具101旋轉(zhuǎn)的角速度或線速度和轉(zhuǎn)速。
[0026]優(yōu)選的，請參閱圖3和圖4，金屬片200表面的邊緣及其側(cè)壁涂有一層絕緣聚合物 300。在電化學(xué)陽極氧化過程中，由于金屬片200邊緣斷面的存在，當(dāng)氧化進(jìn)行到金屬片200 的邊緣時，會導(dǎo)致金屬片200上的電流分布不均，而在金屬片200表面的邊緣及其側(cè)壁涂上一層所述絕緣聚合物300能夠很好的解決此問題。
[0027]請參閱圖5 (a)至5 (C)及圖6，本發(fā)明還提供一種使用上述裝置快速制備納米結(jié)構(gòu)陣列的方法，包括如下步驟:
[0028]Sll:將金屬片200夾持于夾具101上；
[0029]S12:利用噴嘴102向金屬片200的表面噴射電解液104，潤濕金屬片200的表面；
[0030]S13:將噴射到金屬片200表面的電解液104回收于腔體105中；
[0031]S14:由制冷裝置107冷卻腔體105中的電解液104并將冷卻后的電解液104重新供應(yīng)至噴嘴102。
[0032]較佳的,潤濕金屬片200的表面后,先在低電壓下氧化金屬片200的表面,形成一氧化層400，然后提高電化學(xué)陽極氧化電壓并繼續(xù)氧化金屬片200的表面，快速形成納米結(jié)構(gòu)陣列500。
[0033]由上述可知，本發(fā)明一種快速制備納米結(jié)構(gòu)陣列的裝置及方法通過將電解液104回收并冷卻后再次供應(yīng)給噴嘴102，并由噴嘴102噴射至金屬片200的表面進(jìn)行電化學(xué)陽極氧化，由于電解液104的循環(huán)流動并被冷卻，因而可以消除因提高電化學(xué)陽極氧化電壓而產(chǎn)生的熱量，使得可以通過提高電化學(xué)陽極氧化電壓來提高納米結(jié)構(gòu)陣列500的制備速率，此外，該裝置也適用于制備大面積納米結(jié)構(gòu)陣列500。
[0034]綜上所述，本發(fā)明一種快速制備納米結(jié)構(gòu)陣列的裝置及方法通過上述實施方式及相關(guān)圖式說明，己具體、詳實的揭露了相關(guān)技術(shù)，使本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以據(jù)以實施。而以上所述實施例只是用來說明本發(fā)明，而不是用來限制本發(fā)明的，本發(fā)明的權(quán)利范圍，應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求來界定。至于本文中所述元件數(shù)目的改變或等效元件的代替等仍都應(yīng)屬于本發(fā)明的權(quán)利范圍。`
【權(quán)利要求】
1.一種快速制備納米結(jié)構(gòu)陣列的裝置，包括:一夾具，夾持一金屬片；一噴嘴，設(shè)置成與所述金屬片相對，以適于向所述金屬片的表面噴射電解液；一馬達(dá)，與所述夾具相連接用以驅(qū)動所述夾具相對所述噴嘴旋轉(zhuǎn)、垂直移動或者水平移動；一可變直流電源，所述可變直流電源的陽極電連接所述金屬片，所述可變直流電源的陰極電連接所述噴嘴；一腔體，適于回收噴射到所述金屬片表面的電解液；及 一制冷裝置，與所述腔體和所述噴嘴相連接，所述制冷裝置能夠冷卻所述腔體中的電解液并將冷卻后的電解液供應(yīng)給所述噴嘴。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種快速制備納米結(jié)構(gòu)陣列的裝置，其特征在于:所述腔體與所述制冷裝置之間設(shè)置有一電解液槽，所述電解液槽分別與所述腔體和所述噴嘴連通，其中，所述腔體中的電解液被引入所述電解液槽，并經(jīng)由所述電解液槽流入所述制冷裝置中進(jìn)行冷卻，冷卻后的電解液被引回到所述電解液槽，由所述電解液槽供應(yīng)給所述噴嘴。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種快速制備納米結(jié)構(gòu)陣列的裝置，其特征在于:所述電解液槽與所述噴嘴之間設(shè)置有一流量控制器，該流量控制器適于調(diào)節(jié)電解液的壓力和流量以將具有一定壓力和流量的電解液供應(yīng)給所述噴嘴。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種快速制備納米結(jié)構(gòu)陣列的裝置，其特征在于:所述金屬片表面的邊緣及其側(cè)壁涂有一層絕緣聚合物。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種快速制備納米結(jié)構(gòu)陣列的裝置，其特征在于:還進(jìn)一步包括一電壓控制器，所述電壓控制器與所述可變直流電源相連接并控制所述可變直流電源的電壓輸出。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種快速制備納米結(jié)構(gòu)陣列的裝置，其特征在于:所述電壓控制器控制所述可變直流電源輸出的電壓為IOV至300V。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種快速制備納米結(jié)構(gòu)陣列的裝置，其特征在于:所述可變直流電源為可編程直流電源。
8.一種使用權(quán)利要求1所述的裝置快速制備納米結(jié)構(gòu)陣列的方法，包括如下步驟:將金屬片夾持于夾具上；利用噴嘴向所述金屬片的表面噴射電解液，潤濕所述金屬片的表面；將噴射到所述金屬片表面的電解液回收于腔體中；及由制冷裝置冷卻所述腔體中的電解液并將冷卻后的電解液重新供應(yīng)至所述噴嘴。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種快速制備納米結(jié)構(gòu)陣列的方法，其特征在于:在潤濕所述金屬片的表面的步驟后且在將噴射到所述金屬片表面的電解液回收于腔體中的步驟之前，進(jìn)一步包括:先在低電壓下氧化所述金屬片的表面，形成一氧化層，然后提高電化學(xué)陽極氧化電壓并繼續(xù)氧化所述金屬片的表面，快速形成納米結(jié)構(gòu)陣列。
【文檔編號】B82Y40/00GK103590084SQ201210292689
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2012年8月16日 優(yōu)先權(quán)日:2012年8月16日
【發(fā)明者】王堅, 何增華, 賈照偉, 金一諾, 王暉 申請人:盛美半導(dǎo)體設(shè)備（上海）有限公司