三维网状结构氧化铝及复合薄膜制备和性能研究

Compared with traditional pigments, structural color has drawn much attention due to its advantages of vivid color, no pollution, and resistance to fading. However, problems such as complex preparation technology, high cost, and uneven color make it difficult to be popularized diversify beyond niche applications. The research focus on: (1) obtaining the fabrication method of three-dimensional interconnected nanoarchitectures in alumina and the composite film; (2) studying the optical properties of alumina composite film, and the effect of high-dielectric material on the alumina composite film, realizing the continuous color variations with external environment, obtainting structural color material that the color could be adjusted continuously; (3) constructing theoretical structure models of the three-dimensional alumina and the composite film to accurately show the optical properties according to the NS-FDTD theory, analyzing the color generation mechanism of alumina and the composite film. Through our research, we will get high quality color composite film with high hardness, response to a change, color without angle dependence, and other advantages, obtain the growth mechanism of three-dimensional interconnected nanoarchitectures alumina photonic crystal and the color generation mechanism of the alumina photonic crystal with doping high-dielectric material, moreover, it can help us to cultivate young teachers and professional talents, we can also provide theoretical support for building new biologically inspired nano materials of structural color.

结构色因具有色彩鲜艳、无毒环保、不易褪色等优点，有望取代传统色素染料，然而实现结构色存在制备工艺复杂、成本高昂、颜色随观察角度变化且不可连续调节等问题，所以很难得到普及推广。本项目拟研究：（1）获得三维网状结构氧化铝及复合薄膜的制备方法，研究氧化条件对氧化铝微结构影响，获得三维网状氧化铝光子晶体的生长机制；（2）研究氧化铝复合薄膜光学特性，以及高介电材料对氧化铝复合薄膜的影响，实现结构色对外界环境的连续响应，获得颜色可连续调节的结构色材料；（3）利用NS-FDTD算法构建能够准确描述三维氧化铝及复合薄膜光学特性的结构模型，研究氧化铝及复合薄膜成色机制。通过本项目研究，实现具有高硬度、可响应、无角度依赖等优点的高质量结构色复合薄膜制备，获得无角度依赖三维网状氧化铝光子晶体生长机制和复合高介电材料氧化铝光子晶体成色机制，培养青年教师和专业人才，为制造新型仿生结构色纳米材料提供理论指导。

结构色因具有色彩鲜艳、无毒环保、不易褪色等优点，有望取代传统色素染料。本项目的研究是基于三维网状结构氧化铝及复合薄膜，解决目前结构色制备工艺复杂、成本高昂、颜色随观察角度变化且不可连续调节等问题。在本项目的资助下，（1）通过周期性脉冲阳极氧化，实现了三维网状结构氧化铝光子晶体制备。研究了电压波形的周期、幅值及反向电压值对PAA光子晶体微结构的影响。反向电压制备的样品能削弱禁带漂移现象，大大优于直流波形制备的样品。此项研究有利于拓宽光子晶体显示领域的潜在应用，为开发新型光子晶体器件提供重要的指导作用。（2）实现了三维氧化铝光子晶体纳米孔结构孔结构的精细调控。利用指数型和非对称锯齿状等电流脉冲阳极氧化，制备了具有锥型和棒槌型孔结构的三维氧化铝薄膜。通过电流脉冲的幅值改变实现了对三维氧化铝纳米孔结构的调控，这些具有结构调制的三维氧化铝薄膜可以用作制造具有优异电磁性能的新型纳米线或纳米管的模板。（3）提供了一种快速获得直接在铝基底上显色氧化铝的方法，并探究了此薄膜的传感特性。将草酸溶液中的阳极氧化电压提高到150 V~250 V，实现了在铝基上显示高饱和度结构色的氧化铝光子晶体薄膜的制备。解决了以往技术操作复杂、制作成本较高的问题，此光子晶体在装饰、着色、防伪、传感等领域存在着巨大的应用价值。（4）解决了结构色角度依赖问题。通过磁控溅射设备成功制备显示金黄色的Ag@AAO复合薄膜，并且颜色不随观察角度的改变而变化。进一步探究了Ag@AAO复合薄膜成色机制。该纳米薄膜可广泛应用于显示、装饰、防伪等领域。.在本项目的支持下项目组成员已超额完成预期目标，截止目前发表较高水平论文共计18篇，其中SCI 收录论文13篇；申请专利2项；培养研究生9人；获批河北省“青年拔尖人才项目”1项，河北省面上项目1项；2019年获国家高级访问学者留学资助，在美国中佛罗里达大学光学研究所访学1年。