一种基于多孔氧化铝的一维拓扑光子晶体的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于多孔氧化铝的一维拓扑光子晶体的制备方法，通过周期性变化的阳极氧化电压制备出一组层状对称的光子晶体结构，实现了一维光子晶体拓扑态的激发。通过改变阳极氧化电压的参数来实现在一定范围内对样品透射峰的位置进行调控。本发明专利技术避免大量使用毒性试剂、调控步骤复杂及调控所需时间过长等一系列缺点，绿色高效地实现氧化铝一维光子晶体拓扑态的激发。晶体拓扑态的激发。晶体拓扑态的激发。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多孔氧化铝的一维拓扑光子晶体的制备方法


[0001]本专利技术涉及拓补光子学、凝聚态物理以及光子晶体相关领域。

技术介绍

[0002]拓扑态，例如拓扑绝缘体、拓扑半金属等在凝聚态物理中是非常热门的研究方向，拥有许多优秀的性质，包括单向传输、手征反常等。近年来，拓扑的概念被引入到光子体系中，产生了许多新型的光学现象，例如拓扑相变、光学量子霍尔效应等。光子拓扑结构在传感以及激光器、滤波器方面具有很好的应用前景。构造拓扑光子模式的方法包括光波导、等离子体纳米颗粒以及一维光子晶体、二维光子晶体、三维光子晶体等。其中，光子晶体因其具有独特的光子带隙和光子局域的特点，在对于光的控制方面有很大优势。
[0003]光子晶体是以光子为信息载体的新型材料。光子晶体的概念被提出以来，一直受到国内外研究人员的广泛关注。光子晶体是一个很有前途的领域，迄今为止已经有很多种光子晶体光学器件被相继提出并应用。光子晶体在光通信、光波导、集成光子器件等方面展现出了独一无二的优势。随着光子晶体和纳米技术的快速发展，对纳米材料的结构要求也越来越高，不仅是结构的形貌上，结构的光学性能以及可控性更加重要。
[0004]一维拓扑光子晶体的结构简单且较易于制备，是目前研究的重点。制备一维光子晶体的方法包括沉积法、旋涂法、光刻法以及电化学阳极氧化法等。其中阳极氧化法具有工艺简单、成本较低、可控性强等优点。阳极氧化硅、铝和钛都可用于制备光子晶体。其中，阳极氧化铝（AAO）是所有多孔阳极氧化结构中用途最广泛，也是国内外研究最多的结构。
专利
技术实现思路

[0005]本专利技术目的是提供一种新的阳极氧化方法制备具有拓扑态的一维氧化铝光子晶体的方法。
[0006]本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种基于多孔氧化铝的一维拓扑光子晶体的制备方法，其特征在于：采用变电压阳极氧化法制备多孔氧化铝一维光子晶体，通过构造层状对称光子晶体结构在界面处激发拓补态；具体是首先对退火后的铝片进行一次氧化，然后进行二次氧化，二次氧化的周期性电压波形设计为t
1 、t
2 、t
3 、t4；t
1 、t
2 、t
3 为降压，t4为升压；并在二次氧化的第一阶段第N个周期的t2段结束时停止，然后立即开始二次氧化的第二阶段的第一周期，之后正常氧化完其余的第二阶段的各个周期；所述的基于多孔氧化铝的一维拓扑光子晶体的制备方法，其特征在于：具体步骤如下：所述的二次氧化的周期性电压的一个完整周期的波形图：t1=90s，电压由50V线性下降到35.5V；t2=60s,电压由35.5V线性下降到30V；t3时间段电压维持30V不变；t4=30s，电压由30V正弦上升到50V。
[0007]所述的一种基于阳极氧化法制备一维阳极氧化铝拓扑光子晶体的方法，其特征在于：调节t3时间的长度分别为60s、120s，制备有效折射率不同的拓扑光子晶体结构。
[0008]所述的基于多孔氧化铝的一维拓扑光子晶体的制备方法，其特征在于：具体步骤如下：（1）使用恒定电压对退火后的铝片进行一次氧化；（2）将经过步骤（1）一次氧化后的样品经过磷铬酸酸洗后，使用设计好的周期性电压波形进行二次氧化，并在第一周期的t2段结束时停止并立即开始下一周期，之后正常氧化完其余的周期；（3）使用CuCl2溶液去除步骤（2）二次氧化后的样品背面残留的铝基底；（4）使用紫外分光光谱仪测量步骤（3）中去铝后的多孔氧化铝模板的透射光谱。
[0009]一次氧化电压为40V，氧化时间为12h。
[0010]所述的一种基于阳极氧化法制备一维阳极氧化铝拓扑光子晶体的方法，其特征在于：所述的一次氧化是指：将退火处理过的高纯铝片放入装有0.3mol
·
L
‑1草酸溶液的阳极氧化电解槽中，施加40V的直流电压，在保持11℃恒温的条件下连续氧化12h。
[0011]所述的一种基于阳极氧化法制备一维阳极氧化铝拓扑光子晶体的方法，其特征在于：所述的CuCl2溶液为15%的CuCl2溶液。
[0012]本专利技术使用周期性变化的氧化电压波形对样品进行阳极氧化。当电压值从最高点下降到最大值的1/√2倍时，形成的孔道会出现分叉。随着氧化的进行，会出现直孔层（A）
‑
分叉孔层（B）
‑
直孔层
‑
分叉孔层的周期性层状结构。如果从某个周期开始，结构排列从A
‑
B
‑
A
‑
B变为B
‑
A
‑
B
‑
A，也就是与前半部分光子晶体结构对称的、具有相同的能带但拓扑性质相反的结构，如附图1所示。在它们之间的界面处便可以激发出拓扑态。制备对称结构的方法是在氧化进行到总周期数一半的周期时，在这个周期运行到t2结束时，停止当前周期并立即开始运行下一个周期的电压，然后正常氧化完成后半部分，如附图3所示，就可以制备出A
‑
B
‑
B
‑
A的对称结构。通过调节电压波形中的参数，可以改变分叉层和直孔层的比例，以及光子晶体中空气的占比，从而改变光子晶体的有效折射率。
[0013]本专利技术的优点是：本专利技术提供一种基于阳极氧化方法的制备阳极氧化铝拓扑光子晶体的方法。通过周期性变化的氧化电压制备出周期性层状结构来激发出拓扑态。该方法高效、环保、无污染，并且成本较低、工艺简单。在光子器件、传感等领域有广泛的应用。
附图说明
[0014]图1是多孔氧化铝周期性直孔
‑
分叉孔(A
‑
B
‑
B
‑
A)结构示意图;图2是本专利技术中周期性氧化电压一个完整周期的波形图：t1=90s，电压由50V线性下降到35.5V；t2=60s,电压由35.5V线性下降到30V；t3时间段电压维持30V不变；t4=30s，电压由30V正弦上升到50V；图3是本专利技术中在电压运行到某个周期t2段结束时停止当前周期并立即开始运行下一个周期的电压波形图，图中T代表图2中的一个周期；图4是拓扑光子晶体样品1的扫描电镜图；图5是拓扑光子晶体样品1的透射光谱图；图6是拓扑光子晶体样品2的透射光谱图。
具体实施方式
[0015]下面结合具体实施方式对本专利技术技术方案作进一步阐述。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为在市面上可以购得的常规产品。
[0016]本实施例以t3=60s，总氧化周期为200，在第101周期运行到t2段结束时停止并立即开始下一周期的样品为例，经测试，该样品的透射光谱在波长为742nm处有较为明显的透射峰，半峰宽为15nm，符合产品描述。
[0017]二次氧化的周期性电压的一个完整周期的波形图：t1=90s，电压由50V线性下降到35.5V；t2=60s,电压由35.5V线性下降到30V；t3时间段电压维持30V不变；t4=30s，电压由30V正弦上升到50V。
[0018]按照以下步骤实现阳极氧本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多孔氧化铝的一维拓扑光子晶体的制备方法，其特征在于：采用变电压阳极氧化法制备多孔氧化铝一维光子晶体，通过构造层状对称光子晶体结构在界面处激发拓补态；具体是首先对退火后的铝片进行一次氧化，然后进行二次氧化，二次氧化的周期性电压波形设计为t
1 、t
2 、t
3 、t4；t
1 、t
2 、t
3 为降压，t4为升压；并在二次氧化的第一阶段第N个周期的t2段结束时停止，然后立即开始二次氧化的第二阶段的第一周期，之后正常氧化完其余的第二阶段的各个周期。2.根据权利要求1所述的基于多孔氧化铝的一维拓扑光子晶体的制备方法，其特征在于：具体步骤如下：所述的二次氧化的周期性电压的一个完整周期的波形图：t1=90s，电压由50V线性下降到35.5V；t2=60s,电压由35.5V线性下降到30V；t3时间段电压维持30V不变；t4=30s，电压由30V正弦上升到50V。3.根据权利要求2所述的一种基于阳极氧化法制备一维阳极氧化铝拓扑光子晶体的方法，其特征在于：调节t3时间的长度分别为60s、120s，制备有效折射率不同的拓扑光子晶体结构。4.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：张俊喜，王心宇，张维，胡志家，牛力捷，王晨，程锐，方峥，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：