具有减反射微纳结构的碳基纳米颗粒薄膜及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有减反射微纳结构的复合固溶半导体耦合的碳基纳米颗粒薄膜及其制备方法，该方法包括蝶翅的选择和前处理、活化处理，并在蝶翅上化学沉积金属/半导体耦合的纳米颗粒，真空碳化蝶翅等步骤。本发明专利技术制备具有减反射微纳结构的复合固溶半导体耦合的碳基纳米颗粒薄膜的方法通过利用蝴蝶翅膀来制作复合固溶半导体纳米颗粒薄膜，制作过程简单、安全、稳定、成本低、耗能低，所制备的纳米颗粒薄膜实现了宏观大尺度化，且具有蝶翅的减反射微观结构。这种薄膜在红外光谱波段具有高吸收减反射性能，并且具有优异的红外光热转换性能，及光电效应，从而实现了红外热辅助红外探测，可将其应用其红外光电，红外探测。

【技术实现步骤摘要】
具有减反射微纳结构的碳基纳米颗粒薄膜及制备方法
本专利技术涉及金属、半导体纳米颗粒薄膜领域，具体涉及一种具有减反射微纳结构的复合固溶半导体耦合的碳基纳米颗粒薄膜及制备方法。
技术介绍
红外传感是一门重要的技术，被广泛应用于能源、环境科学、医疗工程和公共安全等领域，如能源计量、环境污染监测、远程遥控、热成像、夜视、热光电、医疗成像、光通信、火警检测、监测、工业过程控制、分析检测等等。大多数红外检测可分为三类：辐射热型、热电型和光电型红外检测。先前，能达到实际应用要求的红外传感器件大多数为制冷型红外传感器。然而由于低温制冷器的缘故，使得制冷型红外探测器制作成本太高，同时整机的使用寿命有限，且体积较大、重量较重、高能耗，从而限制了其广泛应用。为了降低制造成本和使用能耗，科学家们采用硅材料、有机材料制备了非制冷型红外探测器。但是这些材料制备的红外探测器对于800nm以外的红外波段的红外探测性能极低。为了扩展红外检测的波谱范围，一些纳米材料被应用于开发、制备红外传感材料，如单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、碳纳米管复合材料、碳纳米颗粒及石墨稀，其红外探测灵敏度达7％-52.9％。同时，基于多成分复合纳米材料调制、优化单一成分纳米材料的光、电学性能机制，在过去的十多年里，大量金属纳米颗粒(如：Pt、Au、Ag纳米颗粒)或半导体纳米颗粒(如CdSe、CdS、PdSn纳米颗粒)通过共价或非共价与碳纳米管或石墨稀复合的红外传感材料应运而生，从而有效的调制、优化了碳纳米管红外传感器的性能。然而，对于金属纳米颗粒来说，虽然其等离子振荡加强电磁场能量局域汇集放大，但分散金属纳米颗粒较有益于促进可见光的吸收；对于CdSe、CdS、PdSn纳米颗粒来说不仅优于紫外到可见光波区域的吸收(250-500nm)，而且还具有一定的毒性，因此均限制了高效、绿色红外传感材料的开发。对于绿色红外传感材料的广泛应用，不仅要求材料具有优异的红外吸收性能，还需要具有无毒性。CuS、Cu2S纳米半导体材料不仅为价格低廉的环境友好型材料，还具有宽波段近红外光吸收性能(800-1400nm)，从而广泛被人们所关注，并制备了无毒性红外探测材料。然而，目前的红外传感材料微纳结构简单，且由于受目前制备工艺的限制，很难自组装这些纳米红外传感材料形成具有相应微纳功能结构的宏观尺度薄膜或块体红外传感材料。仿生遗态模板法，能有效的突破传统工艺的限制，制备具有亚微米精细功能结构的纳米功能材料，因为经过数亿年的演化，自然界进化出了大量具有相应功能的精细结构。并且利用仿生遗态技术制备了大量具有优异红外响应特性的仿生红外探测材料，如掺杂单壁碳纳米管的蓝闪蝶翅红外热探测材料、局域沉积金纳米材料的蓝闪蝶翅红外热探测材料及仿喜高温甲虫红外探测器等。然而这些仿生遗态红外探测功能器件均属于辐射热型红外探测器，很少有报道基于热电或光电型的仿生遗态红外探测材料。
技术实现思路
本专利技术的一个目的在于提供一种具有减反射微纳结构的复合固溶半导体耦合的碳基纳米颗粒薄膜的制备方法，以实现制备一种具有减反射微纳结构的宏观尺度的碳基纳米颗粒薄膜，并且该薄膜的纳米颗粒为具有复合固溶半导体耦合效应的纳米颗粒。本专利技术的另一个目的在于提供一种具有减反射微纳结构的复合固溶半导体耦合的碳基纳米颗粒薄膜，其是一种宏观尺度的薄膜，可用做红外探测薄膜，以实现复合固溶半导体耦合的碳基纳米颗粒薄膜具有宽波段光吸收性能、高效的光热转换性能以及良好的红外光电效应，及热辅助红外探测性能的目的。为实现上述目的，本专利技术提出的技术方案如下：一种具有减反射微纳结构的复合固溶半导体耦合的碳基纳米颗粒薄膜的制备方法，包括以下步骤：(1)选择一具有减反射微观结构的黑色吸光蝶翅；(2)在所述蝶翅上化学沉积金属/半导体纳米颗粒；(3)将化学沉积了所述金属/半导体纳米颗粒后的蝶翅进行碳化处理，使甲壳素基蝶翅模板转换为不定型碳基模板，沉积在模板上的金属/半导体耦合的纳米材料转变为复合固溶半导体纳米颗粒，碳化后的蝶翅与附着于其上的复合固溶半导体纳米颗粒组成复合固溶半导体耦合的碳基纳米颗粒薄膜。较佳地，在所述步骤(1)和步骤(2)之间还包括：对蝶翅进行如下步骤的前处理及活化处理：a)将所述蝶翅置于无水乙醇中浸泡15～30min；b)清洗；c)将所述蝶翅浸渍于体积分数为5％～15％的HNO3溶液中1～3h；d)清洗；e)将所述蝶翅浸入乙二胺和无水乙醇的溶液中，其中乙二胺的质量分数为10％～40％，浸泡3～10h；f)清洗。较佳地，所述步骤(2)具体包括：a)将所述蝶翅浸渍于一烧杯中，所述烧杯中装有金属离子溶液；将所述烧杯置于干燥箱中或恒温水浴中，通过干燥箱或恒温水浴进行升温和保温。较佳地，所述蝶翅置于金属离子溶液中的时间为0.1～24h，所述金属还原溶液的温度为25～50℃。浸渍完成后将所述金属还原溶液冷却至室温后，取出所述蝶翅并清洗。b)所述吸附金属离子的蝶翅浸渍于一烧杯中，所述烧杯中装有金属还原溶液，制备得到吸附有金属纳米颗粒的蝶翅；较佳地，所述吸附金属离子的蝶翅置于金属还原溶液中的时间为0.1-6h,所述金属还原溶液的温度为25～50℃。浸渍完成后将所述金属还原溶液冷却至室温后，取出所述蝶翅并清洗。c)所述吸附有金属纳米颗粒的蝶翅浸渍于一高压环境中，其中高压环境通过高压腔体内介质比例及加热温度控制，所述高压腔体中装有合成半导体纳米颗粒的反应溶液；提供上述高压环境的反应装置例如可以是高压反应釜。较佳地，浸渍于合成半导体纳米颗粒的反应溶液的时间为0.5-36h，并置于高压腔体中。所述高压腔体的温度为50～90℃。浸渍完成后将所述合成半导体纳米颗粒的反应溶液冷却至室温后，取出所述蝶翅并清洗。较佳地，所述步骤(2)完成后，对化学沉积了金属/半导体耦合的纳米颗粒蝶翅进行干燥处理。较佳地，将所述蝶翅放入真空干燥箱中，室温下抽真空干燥。较佳地，所述步骤(3)包括，将所述蝶翅置于可加热的装置例如管式炉中，抽真空碳化，碳化温度为400～900℃，升温速率为1～5℃/min，保温时间1～3h。较佳地，所述金属离子溶液中的金属离子包括金属阳离子、络合金属离子中的一种或几种。所述金属还原溶液包括柠檬酸钠、乳酸、二甲胺硼烷、丁二酸钠溶液，硼氢化钠溶液或硼氢化钾溶液中的一种或几种。合成半导体纳米颗粒的反应溶液包括半导体阳离子，阴离子。所述金属选自等离子体共振较强的贵金属如：Au、Ag、Cu；所述半导体选自化合物半导体，包括第Ⅲ和第Ⅴ族化合物(砷化镓、磷化镓等)、第Ⅱ和第Ⅵ族化合物(硫化镉、硫化锌等)、氧化物(锰、铬、铁、铜的氧化物),以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体(镓铝砷、镓砷磷等)中的一种或几种。一种采用上述方法制备的具有减反射微纳结构的复合固溶半导体耦合的碳基纳米颗粒薄膜，所述薄膜具有减反射微观结构，所述薄膜上的金属纳米颗粒的粒径为15～200nm。较佳地，所述具有减反射微纳结构的复合固溶半导体耦合的碳基纳米颗粒薄膜为一种红外光吸收，光热光电薄膜，该薄膜可以作为红外光吸收及光热光电转换器一体化的红外光探测薄膜。以上提到的清洗的方法可选用任何业内常用方法，在本专利技术的具体实施例中，均采用去离子水清洗。本专利技术方法通过利用生物机体即具有精细的微观结构的蝶翅作为模板，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有减反射微纳结构的复合固溶半导体耦合的碳基纳米颗粒薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)选择一具有减反射微纳结构的黑色吸光蝶翅；(2)在所述蝶翅上化学沉积金属/半导体耦合的纳米颗粒；(3)将化学沉积了所述金属/半导体耦合的纳米颗粒的蝶翅进行碳化处理，使甲壳素基蝶翅模板转换为不定型碳基模板，沉积在模板上的金属/半导耦合的纳米材料转变为复合固溶半导体纳米颗粒，碳化后的蝶翅与附着于其上的所述复合固溶半导体纳米颗粒组成减反射微纳结构的复合固溶半导体耦合的碳基纳米颗粒薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种具有减反射微纳结构的复合固溶半导体耦合的碳基纳米颗粒薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）选择一具有减反射微纳结构的黑色吸光蝶翅；（2）在所述蝶翅上化学沉积金属/半导体耦合的纳米颗粒；（3）将化学沉积了所述金属/半导体耦合的纳米颗粒的蝶翅进行碳化处理，使甲壳素基蝶翅模板转换为不定型碳基模板，沉积在模板上的金属/半导耦合的纳米材料转变为复合固溶半导体纳米颗粒，碳化后的蝶翅与附着于其上的所述复合固溶半导体纳米颗粒组成减反射微纳结构的复合固溶半导体耦合的碳基纳米颗粒薄膜；其中，所述碳化处理为：对所述蝶翅进行抽真空碳化，碳化温度为400～700℃，升温速率为1～5℃/min，保温时间1～3h。2.根据权利要求1所述的具有减反射微纳结构的复合固溶半导体耦合的碳基纳米颗粒薄膜的制备方法，其特征在于，在所述步骤（1）和步骤（2）之间还包括对蝶翅进行如下步骤的前处理及活化处理：Ⅰ）将所述蝶翅置于无水乙醇中浸泡15～30min；Ⅱ）清洗；Ⅲ）将所述蝶翅浸渍于体积分数为5%～15%的HNO3溶液中1～3h；Ⅳ）清洗；Ⅴ）将所述蝶翅浸入乙二胺和无水乙醇的溶液中，其中乙二胺的质量分数为10%～40%，浸泡3～10h；Ⅵ）清洗。3.根据权利要求1所述的具有减反射微纳结构的复合固溶半导体耦合的碳基纳米颗粒薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）具体包括：a)将所述蝶翅浸渍于一金属离子溶液，并升温和保温进行吸附反应；b)清洗；c)将吸附有金属离子的蝶翅，浸渍于一金属还原溶液中，并升温和保温进行还原反应，得到吸附有金属纳米颗粒的蝶翅；d)清洗；e)将吸附有金属纳米颗粒的蝶翅，浸渍于合成半导体纳米颗粒的反应溶液中，并进行升温和保温，得到金属/半导体耦合蝶翅；f)清洗；g)干燥。4.根据权利要求3所述的具有减反射微纳结构的复合固溶半导体耦合的碳基纳米颗粒薄膜的制备方法，其特征在于，在所述步骤a)中，所述蝶翅置于金属离子溶液中的时间为0...

【专利技术属性】
技术研发人员：张旺，田军龙，汪万林，蔡年进，潘峰，刘庆雷，张荻，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31