一种刻蚀图案引导制备氧化铝模板的方法.pdf

本发明公开了一种刻蚀图案引导制备氧化铝模板的方法，该方法按照以下步骤具体实施：步骤1、选择高纯铝片，抛光后，在氩气中热处理，随后在氢氧化钠溶液中浸泡，依次用蒸馏水、酒精、丙酮浸泡，再用蒸馏水漂洗，然后在高氯酸与乙醇组成的电解液中进行电抛光；步骤2、设计纳米孔图案，用聚焦离子束在步骤1得到的电抛光铝片上刻蚀设计图案；步骤3、以步骤2完成刻蚀图案的铝片为阳极，以Pt网为阴极，采用一次阳极氧化法制备氧化铝模板，阳极氧化参数为：保持电解液温度，电解液选用草酸、硫酸或磷酸，相应控制施加电压和阳极氧化时间，最后得到氧化铝模板。本发明方法制备的氧化铝模板孔径和孔间距调整精确。

1.  一种刻蚀图案引导制备氧化铝模板的方法，其特征在于：该方法按照以下步骤具体实施：
步骤1、选择高纯铝片为原料，经过机械抛光后，在氩气氛围中，450-550℃热处理12-24h，随后在质量浓度为0.4%-0.7%的氢氧化钠溶液中浸泡5-15min，依次用蒸馏水、酒精、丙酮浸泡，再用蒸馏水漂洗，然后在由高氯酸与乙醇体积比为1：3.5-4.5组成的电解液中进行电抛光，电抛光电压控制在12-15V；
步骤2、依据电解液所制备的氧化铝模板的结构尺寸设计纳米孔图案，用聚焦离子束在步骤1得到的电抛光铝片上刻蚀设计图案；
步骤3、以步骤2完成刻蚀图案的铝片为阳极，以Pt网为阴极，采用一次阳极氧化法制备氧化铝模板，阳极氧化参数为：电解液温度保持在0-5℃，电解液选用草酸、硫酸或磷酸，相应控制施加电压和阳极氧化时间，最后得到带有刻蚀设计图案的氧化铝模板。

2.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的高纯铝片的纯度为99.999%，厚度为0.3mm。

3.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3中电解液浓度为0.3-0.35M的草酸，施加电压为60-65V，阳极氧化时间为100-120min。

4.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3中电解液浓度为0.3-0.35M的硫酸，施加电压为25-30V，阳极氧化时间为10-12min。

5.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3中电解液浓度为0.2-0.25M的磷酸，施加电压为140-150V，阳极氧化时间为10-12min。

一种刻蚀图案引导制备氧化铝模板的方法
技术领域
本发明属于纳米材料技术领域，涉及一种刻蚀图案引导制备氧化铝模板的方法。
背景技术
近年来，阳极氧化由于能够制备出六边形排列的纳米孔而引起广泛关注。该模板廉价易得，一般的实验室都能制备。只要以一定浓度的草酸、硫酸或磷酸等为电解液，施加适当的电压对铝片进行阳极氧化，就可以获得自组装的纳米孔阵列，通过改变施加电压，阳极氧化时间或者电解液的温度，可以调整纳米孔洞的直径和深度。
然而现有技术中阳极氧化所得的氧化铝模板存在以下不足：一是纳米孔阵列和孔尺寸并不严格一致；二是在较大的面积范围内（微米级），纳米图案会出现较大偏差；三是纳米图案难以精密化。这些问题不解决，所使用的AAO模板将会把这些缺陷传递给所制备的纳米结构材料，影响所制备材料的性能。
多年来，人们采取多种方法来改善AAO模板的有序性，但效果不太理想。因此迫切需要制备高度有序化的模板来满足磁存储、光电子器件、生物传感器等方面的应用需要。
发明内容
本发明的目的是提供一种刻蚀图案引导制备氧化铝模板的方法，解决了现有技术中存在纳米孔阵列和孔尺寸不一致；在较大的面积范围内（微米级），纳米图案会出现较大偏差的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种刻蚀图案引导制备氧化铝模板的方法，该方法按照以下步骤具体实施：
步骤1、选择高纯铝片为原料，经过机械抛光后，在氩气氛围中，450-550℃热处理12-24h，随后在质量浓度为0.4%-0.7%的氢氧化钠溶液中浸泡5-15min，依次用蒸馏水、酒精、丙酮浸泡，再用蒸馏水漂洗，然后在由高氯酸与乙醇体积比为1：3.5-4.5组成的电解液中进行电抛光，电抛光电压控制在12-15V；
步骤2、依据电解液所制备的氧化铝模板的结构尺寸设计纳米孔图案，用聚焦离子束在步骤1得到的电抛光铝片上刻蚀设计图案；
步骤3、以步骤2完成刻蚀图案的铝片为阳极，以Pt网为阴极，采用一次阳极氧化法制备氧化铝模板，阳极氧化参数为：电解液温度保持在0-5℃，电解液选用草酸、硫酸或磷酸，相应控制施加电压和阳极氧化时间，最后得到带有刻蚀设计图案的氧化铝模板。
本发明方法的有益效果是，制备的氧化铝模板，孔径和孔间距调整精确，与没有刻蚀的区域对比，刻蚀区域的纳米孔阵列和孔尺寸几乎完全一致。
附图说明
图1为本发明实施例6中设计图案为50nm孔径，400nm孔间距的高纯铝片SEM图；
图2为图1中的高纯铝片经离子束刻蚀后的SEM图；
图3为图2中刻蚀后的高纯铝片在0.2M的磷酸中阳极氧化后的SEM图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明所述刻蚀图案引导制备氧化铝模板的方法，按照以下步骤实施：
步骤1、选择纯度为99.999%、厚度为0.3mm的高纯铝片为原料，经过机械抛光后，在氩气氛围中，450-550℃热处理12-24h，随后在质量浓度为0.4%-0.7%的氢氧化钠溶液中浸泡5-15min，依次用蒸馏水、酒精、丙酮浸泡，再用蒸馏水漂洗，然后在由高氯酸与乙醇体积比为1：3.5-4.5组成的电解液中进行电抛光，电抛光电压控制在12-15V。
步骤2、依据氧化铝模板的结构尺寸，设计孔径为50nm、孔间距在100nm-400nm之间的纳米孔图案，用聚焦离子束在步骤1得到的电抛光铝片上刻蚀设计图案。
步骤3、以步骤2完成刻蚀图案的铝片为阳极，以Pt网为阴极，采用一次阳极氧化法制备氧化铝模板，阳极氧化参数为：电解液温度保持在0-5℃，电解液选用0.3-0.35M的草酸，施加电压为60-65V，阳极氧化时间为100-120min；或选用0.3-0.35M的硫酸，施加电压为25-30V，阳极氧化时间为10-12min；或选用0.2-0.25M的磷酸，施加电压为140-150V，阳极氧化时间为10-12min，最后得到纳米孔阵列和孔尺寸几乎完全一致的氧化铝模板。
实施例1
步骤1、选择纯度为99.999%、厚度为0.3mm的高纯铝片为原料，经过机械抛光后，在氩气氛围中，在450℃热处理24h，随后在质量浓度为0.5%的氢氧化钠溶液浸泡5min，依次用蒸馏水-酒精-丙酮浸泡-蒸馏水漂洗，然后在由高氯酸与乙醇体积比为1：4组成的电解液中进行电抛光，电抛光电压为12V。
步骤2、设计孔径为50nm、孔间距为100nm的纳米孔图案，用聚焦离子束将该图案刻蚀在电抛光铝片上。
步骤3、以步骤2刻蚀图案的铝片为阳极，以Pt网为阴极，采用一次阳极氧化法制备氧化铝模板，阳极氧化参数为：电解液温度保持在0℃，电解液为0.3M的草酸，施加电压为60V，阳极氧化时间为120min，得到孔间距为100nm的氧化铝模板。
实施例2
步骤1、选择纯度为99.999%、厚度为0.3mm的高纯铝片为原料，经过机械抛光后，在氩气氛围中，在550℃热处理12h，随后在质量浓度为0.4%的氢氧化钠溶液浸泡15min，依次用蒸馏水-酒精-丙酮浸泡-蒸馏水漂洗，然后在由高氯酸与乙醇体积比为1：4.5组成的电解液中进行电抛光，电抛光电压为15V。
步骤2、设计孔径为50nm、孔间距为100nm的纳米孔图案，用聚焦离子束将该图案刻蚀在电抛光铝片上。
步骤3、以步骤2刻蚀图案的铝片为阳极，以Pt网为阴极，采用一次阳极氧化法制备氧化铝模板，阳极氧化参数为：电解液温度保持在5℃，电解液为0.35M的硫酸，施加电压为30V，阳极氧化时间为12min，得到孔间距为100nm的氧化铝模板。
实施例3
步骤1、选择纯度为99.999%、厚度为0.3mm的高纯铝片为原料，经过机械抛光后，在500℃下氩气中热处理20h，随后在质量浓度为0.7%的氢氧化钠溶液浸泡10min，依次用蒸馏水-酒精-丙酮浸泡-蒸馏水漂洗，然后在由高氯酸与乙醇体积比为1：3.5组成的电解液中进行电抛光，电抛光电压为14V。
步骤2、设计孔径为50nm、孔间距为100nm的纳米孔图案，用聚焦离子束将该图案刻蚀在电抛光铝片上。
步骤3、以步骤2刻蚀图案的铝片为阳极，以Pt网为阴极，采用一次阳极氧化法制备氧化铝模板，阳极氧化参数为：电解液温度保持在2℃，电解液为0.24M的磷酸，施加电压为140V，阳极氧化时间为10min，得到孔间距为100nm的氧化铝模板。
实施例4
步骤1、选择纯度为99.999%、厚度为0.3mm的高纯铝片为原料，经过机械抛光后，在氩气氛围中，在500℃热处理15h，随后在质量浓度为0.5%的氢氧化钠溶液浸泡10min，依次用蒸馏水-酒精-丙酮浸泡-蒸馏水漂洗，然后在由高氯酸与乙醇体积比为1：4组成的电解液中进行电抛光，电抛光电压为13V。
步骤2、设计孔径为50nm、孔间距为100nm的纳米孔图案，用聚焦离子束将该图案刻蚀在电抛光铝片上。
步骤3、以步骤2刻蚀图案的铝片为阳极，以Pt网为阴极，采用一次阳极氧化法制备氧化铝模板，阳极氧化参数为：电解液温度保持在0℃，电解液为0.35M的草酸，施加电压为65V，阳极氧化时间为100min，得到孔间距为100nm的氧化铝模板。
实施例5
步骤1、选择纯度为99.999%、厚度为0.3mm的高纯铝片为原料，经过机械抛光后，在氩气氛围中，在500℃热处理16h，随后在质量浓度为0.6%的氢氧化钠溶液浸泡12min，依次用蒸馏水-酒精-丙酮浸泡-蒸馏水漂洗，然后在由高氯酸与乙醇体积比为1：4组成的电解液中进行电抛光，电抛光电压为12V。
步骤2、设计直径为50nm、孔间距为200nm的纳米孔图案，用聚焦离子束将该图案刻蚀在电抛光铝片上。
步骤3、以具有刻蚀图案的铝片为阳极，以Pt网为阴极，采用一次阳极氧化法制备氧化铝模板。阳极氧化参数为：电解液温度保持在3℃，电解液为0.33M的硫酸，施加电压为26V，阳极氧化时间为12min。由此得到孔间距为200nm的氧化铝模板。
实施例6
步骤1、选择纯度为99.999%、厚度为0.3mm的高纯铝片为原料，经过机械抛光后，在氩气氛围中，在550℃热处理12h，随后在质量浓度为0.5%的氢氧化钠溶液浸泡15min，依次用蒸馏水-酒精-丙酮浸泡-蒸馏水漂洗，然后在由高氯酸与乙醇体积比为1：4组成的电解液中进行电抛光，电抛光电压在15V之间。
步骤2、设计孔径为50nm、孔间距为400nm的纳米孔图案，显微图见图1，用聚焦离子束将该图案刻蚀在电抛光铝片上，显微图见图2。
步骤3、以具有刻蚀图案的铝片为阳极，以Pt网为阴极，采用一次阳极氧化法制备氧化铝模板。阳极氧化参数为：电解液温度保持在0℃，电解液为0.2M的磷酸，施加电压为145V，阳极氧化时间为11min。由此得到孔间距为200nm的氧化铝模板，显微图见图3。
本发明的方法，采用高纯铝片为原料，经过机械抛光、热处理、清洗后，进行电抛光，然后用聚焦离子束刻蚀图案，最后在草酸、硫酸或磷酸中进行阳极氧化，得到孔径可调的有序纳米孔阵列模板。本发明方法的优点是孔径和孔间距调整精确，借助高分辨率扫描电子显微镜观察，刻蚀区域的纳米孔阵列和孔尺寸几乎完全一致。