常勝男

(天津工業(yè)大學(xué)，天津 300000)

1 引言

尺寸介于納米尺度范圍的材料具有許多傳統(tǒng)材料所不具備的性能，納米材料因表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)等受到越來(lái)越多的研究，并廣泛應(yīng)用于電學(xué)、光學(xué)、生物學(xué)等眾多領(lǐng)域。納米材料的制備以及如何獲得高密度、高規(guī)整度的納米陣列成為研究的熱點(diǎn)。納米材料的制備方法眾多，但模板法是制備納米材料較為簡(jiǎn)單的一種方法。

多孔陽(yáng)極氧化鋁是在酸性電解質(zhì)溶液中通過(guò)金屬鋁的陽(yáng)極氧化反應(yīng)形成的一種薄膜材料，其包括沿表面垂直生長(zhǎng)的納米級(jí)別的圓柱形孔洞。多孔陽(yáng)極氧化鋁制備方法簡(jiǎn)單，成本較低，其納米級(jí)孔洞排列規(guī)整、表面積較大，并且通過(guò)改變制備工藝可調(diào)節(jié)孔結(jié)構(gòu)，因此多孔陽(yáng)極氧化鋁模板法是制備納米材料的常用方法之一。在多孔陽(yáng)極氧化鋁表面或孔腔內(nèi)可沉積出納米點(diǎn)、納米線、納米棒、納米管等眾多納米結(jié)構(gòu)，得到的納米結(jié)構(gòu)排列規(guī)則、表面積較高。目前已經(jīng)使用多孔陽(yáng)極氧化鋁模板獲得金屬、半導(dǎo)體、高聚物、碳材料等多種材料的納米結(jié)構(gòu)。

納米材料因納米級(jí)尺寸具有許多優(yōu)異的性能，其廣泛應(yīng)用于光、電、磁等眾多領(lǐng)域。納米材料的比表面積較大，其在傳感器、生物、分子運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域也發(fā)揮著重要作用[1]。

2 多孔陽(yáng)極氧化鋁模板的制備

多孔陽(yáng)極氧化鋁模板是在酸性電解質(zhì)溶液中通過(guò)金屬鋁的陽(yáng)極氧化反應(yīng)形成。在進(jìn)行陽(yáng)極氧化反應(yīng)之前，需要對(duì)鋁片進(jìn)行電化學(xué)拋光以消除應(yīng)力，將拋光后的鋁片置于電解質(zhì)溶液中，施加相應(yīng)的電壓進(jìn)行第一次陽(yáng)極氧化反應(yīng)，然后將第一次陽(yáng)極氧化反應(yīng)產(chǎn)生的多孔陽(yáng)極氧化鋁除去，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行第二次陽(yáng)極氧化反應(yīng)，所生成的多孔陽(yáng)極氧化鋁是在第一次陽(yáng)極氧化的凹坑基礎(chǔ)上形成，所以規(guī)整度較高，最后將多孔陽(yáng)極氧化鋁置于磷酸溶液中進(jìn)行擴(kuò)孔處理。

多孔陽(yáng)極氧化鋁模板是一類具有獨(dú)特納米孔洞結(jié)構(gòu)的薄膜材料，其由阻擋層和多孔層組成，多孔層由六角緊密堆積的元胞組成，元胞中心為沿表面垂直生長(zhǎng)的圓柱形孔洞。通過(guò)改變多孔陽(yáng)極氧化鋁的工藝參數(shù)，如電解質(zhì)種類及濃度、陽(yáng)極氧化電壓、陽(yáng)極氧化時(shí)間等可以改變多孔陽(yáng)極氧化鋁的形貌結(jié)構(gòu)，如孔間距、孔徑、孔厚、孔隙率等，在此基礎(chǔ)上可以獲得不同形貌結(jié)構(gòu)的納米材料，以應(yīng)用于不同的領(lǐng)域[2]。

3 納米材料的制備

納米材料的制備方法眾多，但大多成本較高，工藝復(fù)雜，所制備的納米材料可重復(fù)性低，規(guī)整度不高。多孔陽(yáng)極氧化鋁模板法是制備納米材料的方法之一，由于多孔陽(yáng)極氧化鋁模板獨(dú)特的納米孔洞結(jié)構(gòu)，所制備的納米材料結(jié)構(gòu)規(guī)整，比表面積較大，多孔陽(yáng)極氧化鋁模板法制備工藝簡(jiǎn)單，成本較低，并且通過(guò)調(diào)節(jié)多孔陽(yáng)極氧化鋁的工藝參數(shù)能夠得到不同形貌結(jié)構(gòu)的納米孔洞，從而得到不同形貌結(jié)構(gòu)的納米材料。

基于多孔陽(yáng)極氧化鋁的納米材料的制備方法包括電化學(xué)沉積法、磁控濺射法、化學(xué)氣相沉積法、模板潤(rùn)濕法、原位聚合法等，采用上述方法在多孔陽(yáng)極氧化鋁表面或孔腔中可以沉積金屬、半導(dǎo)體、高聚物、碳材料等以形成相應(yīng)的納米點(diǎn)、納米線、納米棒、納米管等納米結(jié)構(gòu)。

金屬、半導(dǎo)體、碳材料的納米結(jié)構(gòu)的制備方法主要有電化學(xué)沉積法、磁控濺射法、化學(xué)氣相沉積法等。在電化學(xué)沉積法中，使用電化學(xué)工作站，以多孔陽(yáng)極氧化鋁模板為工作電極，施加一定的電壓，使得溶液中的金屬離子沉積在多孔陽(yáng)極氧化鋁表面或孔腔中。高聚物納米材料的制備方法主要是模板潤(rùn)濕法、原位聚合法等，將多孔陽(yáng)極氧化鋁模板浸入高聚物溶液中，或?qū)⒏呔畚锶芤旱渭釉诙嗫钻?yáng)極氧化鋁表面，在無(wú)外界條件或者旋涂和熱壓印，使得高聚物溶液滲透浸入多孔陽(yáng)極氧化鋁孔腔中，在小于高聚物玻璃化溫度的條件下干燥數(shù)小時(shí)，除去多孔陽(yáng)極氧化鋁模板即可得到高聚物納米線、納米棒等納米結(jié)構(gòu)[3]。

4 納米材料的應(yīng)用

采用多孔陽(yáng)極氧化鋁模板制備的納米材料規(guī)整度高、比表面積大、可批量生產(chǎn)，并且 多孔陽(yáng)極氧化鋁模板制備工藝簡(jiǎn)單，成本較低，通過(guò)調(diào)節(jié)工藝參數(shù)可以獲得不同形貌的納米材料，是制備納米材料的常用方法之一。

納米材料因小尺寸而具有傳統(tǒng)材料不具備的優(yōu)異性能，由多孔陽(yáng)極氧化鋁模板制備的納米材料因結(jié)構(gòu)規(guī)整，性能得到提高，其在傳感器、分子運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。在傳感器領(lǐng)域，因?yàn)橛卸嗫钻?yáng)極氧化鋁模板制備的納米材料結(jié)構(gòu)規(guī)整，比表面積大，極大改善了傳感器的靈敏度，使其在生物傳感器、氣體傳感器等中發(fā)揮著重要作用。在分子運(yùn)輸領(lǐng)域，同樣因比表面積的增大，提高了納米材料的分子運(yùn)輸能力，從而改善了器件的靈敏度。