專利名稱：基于蝴蝶翅膀單個鱗片生物模板制備磁性光子晶體的方法
技術領域：
本發明 屬于材料科學領域，尤其是涉及一種基于蝴蝶翅膀單個鱗片生物模板制備磁性光子晶體的方法，具體地說，涉及的是一種在單個蝴蝶鱗片上，利用二次燒結的方法材料制備單鱗片磁性光子晶體的方法。
背景技術：
光子晶體的概念自提出之后，就引起了人們的廣泛關注，由于其可以對光進行調控的特殊性能，使得它在通訊，光學傳輸，納米器件方面有著潛在的應用的前景。制備能夠在可見光范圍內對光進行調控的光子晶體，在目前的實驗技術條件下仍然是一件非常昂貴并且具有挑戰性的工作。它的困難在于制備周期性的，幾十個納米到微米尺寸的結構。而這種結構在自然界中廣泛的存在，如蝴蝶，昆蟲的翅膀，孔雀的羽毛等等。經對現有技術文獻的檢索發現，人們利用原始的蝴蝶來制備各種具有周期性結構的光子晶體功能材料。G. Cook,等在《Angewandte Chemie International Edition》(德國應用物理化學)于 2003 年 5 期，557 頁報道了 “Exact Replication of Biological Structuresby Chemical Vapor Deposition of Silica”(利用化學氣相沉積法精確制備具有生物結構的二氧化硅)，以整片的蝴蝶為模板，利用化學氣相沉積的方法，制備光子晶體氧化硅功能材料。Jingyun Huang等在((Nano Letters))(納米快報)與2006年6期,2335頁報道了 (Controlled Replication of Butterfly Wings forAchieving Tunable PhotonicProperties)(以蝴蝶翅膀為模板制備得到的光子晶體進行光學調控)以絢麗的大藍閃蝶為模板，利用原子沉積的方法在蝴蝶的表面沉積一層氧化鋁材料，再通過高溫燒結去掉蝴蝶的原始模板而等到氧化鋁的蝴蝶復制品。實現對光在可見光范圍內的調控。WenhongPeng 等在〈Advanced Functional Materials〉(先進功能材料)于 2Ol2 年 10 期，20了2頁上報道了 “3DNetwork Magnetophotonic Crystals Fabricated on Morpho ButterfyWing Templates”(以大藍閃蝶為模板制備三維網狀磁性光子晶體)以整片的大藍閃蝶蝴蝶為模板，通過溶膠凝膠的方法，制備磁性光子晶體。在這些利用生物模板制備光子晶體的方法中，都采用了整只的蝴蝶為模板進行復制。從文獻的報道Shinya Yoshioka等在Proceedings of The Royal Society Biological sciences (皇家協會的生物科學)于2006 年 273 期，129 頁報道了 “Structural or pigmentary Origin ofthe distinctivewhite stripe on the blue wing ofa Morpho butterfly”(結構色還是色素色,原始大藍閃蝶獨特的白色條紋)系統的研究了蝴蝶的不同部位的鱗片的顯微結構。蝴蝶翅膀是一個非常復雜的光學系統，它的內部是有成百萬的鱗片單元組成。以整只蝴蝶制備得到的功能材料限制了對其光學性能規律的深入研究和掌握。而制備單個的鱗片的功能材料是一項精細的具有挑戰性的工作，這就極大的限制了光納米器件的研究與應用。
發明內容
本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種基于蝴蝶翅膀單個鱗片生物模板制備磁性光子晶體的方法，利用了二次燒結與顯微鏡下提取單鱗片技術，合成具有光子晶體結構的微米級的單鱗片磁性材料，這種磁性光子晶體結構極大的提高了對磁-光的響應，因而在磁光通訊器件領域有廣泛的應用前景。本發明的目的可以通過以下技術方案來實現以自然界中的天然光子晶體，蝴蝶翅膀單個鱗片的分級精細結構作為模板，通過浸潰，溶膠凝膠的方法，利用生物化學組分的不同的化學反應性，通過表面的處理和化學改性，顯微鏡下選取單個鱗片得技術方法，先制備具有蝴蝶翅膀光子晶體結構的單鱗片Fe2O3功能材料，進而通過人工控制H2還原的方法制備得到磁性的光子晶體單鱗片Fe3O4功能材料。 基于蝴蝶翅膀單個鱗片生物模板制備磁性光子晶體的方法，包括以下步驟(I)選用具有光子晶體結構的生物材料為模板，對其進行表面預處理；(2)配置前軀體金屬鹽溶膠凝膠溶液，控制溶液的濃度為O. lmol/L lmol/L并加熱攪拌；(3)將處理好的生物材料放入配制好的前軀體金屬鹽溶膠凝膠溶液進行浸潰處理；(4)浸潰結束，取出樣品，用蒸餾水沖洗后干燥；(5)在顯微鏡下，用鎳針選取單個鱗片，置于襯底上，在烘箱中徹底干燥；(6)通過焙燒去除單個鱗片的生物模板，得到保持生物模板光子晶體結構的單鱗片三氧化二鐵功能材料；(7)在氫氬混合氣體的氣氛下還原燒結處理單鱗片三氧化二鐵功能材料，得到單個蝴蝶鱗片的磁性光子晶體四氧化三鐵分級結構，即為產品。步驟(I)中所述的具有光子晶體結構的生物材料為蝴蝶翅膀。步驟(I)中采用濃度為40wt%的醋酸溶液對生物材料的表面進行預處理，將生物材料在醋Ife溶液中浸潰4h。步驟(2)中所述的前軀體金屬鹽溶膠凝膠溶液的溶質為鐵、鈷或鎳的氯化物、硝酸鹽或硫酸鹽。步驟(2)中所述的前軀體金屬鹽溶膠凝膠溶液的溶劑為水、乙醇、甘油或其混合物。步驟(5)中所述的襯底為載玻片、硅片、石英玻璃的平整玻璃片。步驟(5)中的烘箱溫度控制在20°C 160°C，保溫小時為3 12h。步驟(6)中所述的焙燒的溫度為450°C 800°C，保溫時間為I 6h。步驟(7)中所述的還原燒結處理的溫度為300°C 500°C，保溫時間為3 12h。步驟(7)中所述的氫氬混合氣體中，氫氣的體積濃度比為5 20%。與現有技術相比，本發明以自然界中的具有光子晶體結構的生物材料蝴蝶翅膀單個鱗片作為模板，利用浸潰處理以及一系列的化學反應實現了磁性光子晶體的制備，創造了一種快速，簡單，有效，環保的制備微米尺寸的特殊功能新材料的方法。所制備的材料完整的保留了生物模板的精細單個鱗片三維光子晶體結構，極大的提高了對磁-光的響應性能。通過選用不同的生物模板，可以制備得到多樣結構的磁-光有響應的納米-微米尺寸的磁性材料，由其制得的磁光器件將在磁光存儲和通訊等領域出現廣闊的應用前景。
另外，本發明不是基于整個蝴蝶的復制，而是針對性的選取單個的鱗片在微米尺度上來制備合成所需要的光子晶體，且工藝簡單，可控性好。合成的磁性材料完整的保留了單個鱗片生物模板的光子晶體結構。
圖I為利用蝴蝶翅單個鱗片生物模板二次燒結技術合成的磁性光子晶體的三維立體顯微鏡圖。圖2為利用蝴蝶翅膀單個鱗片生物模板二次燒結技術合成的磁性光子晶體的掃描電鏡圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。實施例I基于蝴蝶翅膀單個鱗片生物模板制備磁性光子晶體的方法，包括以下步驟第一步，將蝴蝶翅膀放入40wt% CH3COOH溶液中4小時后，以溶去燒結不易除去的礦物質，然后，用蒸餾水沖洗，干燥備用。第二步，前軀體溶液的配制。FeCl3溶液的配制方案在熱水浴的條件下，配置濃度為O. lmol/L的氯化鐵乙醇溶液。第三步，將處理好的蝴蝶翅膀放入配置好的前軀體溶液中浸泡12小時第四步，浸泡結束后，取出樣品，用蒸餾水沖洗，然后放入烘箱中50°C溫度范圍內干燥10個小時。第五步在顯微鏡的幫助下，用鎳針選取單個鱗片，置于硅片襯底上，在烘箱中60°C, 10小時，徹底干燥。第六步干燥后，在450°C溫度下燒結去掉生物模板，得到具有生物模板光子晶體結構的單鱗片三氧化二鐵功能材料；第七步，上述產物再進一步在氫氣濃度為20%的氫氬混合氣體400°C燒結得到具有光子晶體結構的磁性單鱗片四氧化三鐵材料。制備得到的磁性光子晶體材料保留了原始蝴蝶翅膀單個鱗片的分級多孔形態結構。并具有磁學和光學的響應。圖I是利用蝴蝶單鱗片生物模板二次燒結技術合成的磁性光子晶體的三維立體顯微鏡圖。從圖中可以看出制備得到單個鱗片的四氧化三鐵呈現出金屬彩虹色。圖2是利用蝴蝶單鱗片生物模板二次燒結技術合成的磁性光子晶體的掃描電鏡圖。從圖中可以看出制備的四氧化三鐵保留了生物模板三維的光子晶體結構，以及脊上的精細結構。實施例2基于蝴蝶翅膀單個鱗片生物模板制備磁性光子晶體的方法，包括以下步驟第一步，將蝴蝶翅膀放入40wt% CH3COOH溶液中4小時后，以溶去燒結不易除去的礦物質，然后，用蒸餾水沖洗，干燥備用。第二步，前軀體溶液的配制。FeCl3溶液的配制方案在熱水浴的條件下，配置濃度為O. lmol/L的氯化鐵乙醇溶液。
第三步，將處理好的蝴蝶翅膀放入配置好的前軀體溶液中浸泡20小時第四步，浸泡結束后，取出樣品，用蒸餾水沖洗，然后放入烘箱中60°C溫度范圍內干燥10個小時。第五步在顯微鏡的幫助下，用鎳針選取單個鱗片，置于石英片襯底上，在烘箱中80°C, 10小時，徹底干燥。第六步干燥后，在500°C溫度下燒結去掉生物模板，得到具有生物模板光子晶體結構的單鱗片三氧化二鐵功能材料；第七步，上述產物再進一步在氫氣濃度為10%的氫氬混合氣體下450°C燒結得到具有光子晶體結構的磁性單鱗片四氧化三鐵材料。掃描和透射電鏡的分析表明，制備得到的磁性光子晶體材料保留了原始蝴蝶翅膀的分級多孔形態結構。拉曼光譜的分析表明所制備得到的是四氧化三鐵。反射光譜分析表明，制備材料具有結構色。 實施例3基于蝴蝶翅膀單個鱗片生物模板制備磁性光子晶體的方法，包括以下步驟第一步，將蝴蝶翅膀放入40wt% CH3COOH溶液中4小時后，以溶去燒結不易除去的礦物質，然后，用蒸餾水沖洗，干燥備用。第二步，前軀體溶液的配制。FeCl3溶液的配制方案在熱水浴的條件下，配置濃度為lmol/L的氯化鐵乙醇溶液。第三步，將處理好的蝴蝶翅膀放入配置好的前軀體溶液中浸泡48小時第四步，浸泡結束后，取出樣品，用蒸餾水沖洗，然后放入烘箱中80°C溫度范圍內干燥10個小時。第五步在顯微鏡的幫助下，用鎳針選取單個鱗片，置于載玻片襯底上，在烘箱中30°C，12小時，徹底干燥。第六步干燥后，在800°C溫度下燒結去掉生物模板，得到具有生物模板光子晶體結構的單鱗片三氧化二鐵功能材料；第七步，上述產物再進一步在氫氣濃度為5%的氫氬混合氣體下500°C燒結，保溫12小時，得到具有光子晶體結構的磁性單鱗片四氧化三鐵材料。掃描和透射電鏡的分析表明，制備得到的磁性光子晶體材料保留了原始蝴蝶翅膀的分級多孔形態結構。顯微照片，反射光譜分析表明，制備材料具有結構色。實施例4以自然界中的天然光子晶體，蝴蝶翅膀單個鱗片的分級精細結構作為模板，通過浸潰，溶膠凝膠的方法，利用生物化學組分的不同的化學反應性，通過表面的處理和化學改性，顯微鏡下選取單個鱗片得技術方法，先制備具有蝴蝶翅膀光子晶體結構的單鱗片氧化鈷功能材料，進而通過人工控制H2還原的方法制備得到磁性的光子晶體單鱗片金屬鈷功能材料。具體方法包括以下步驟(I)選用具有光子晶體結構的生物材料為模板，本實施例中采用蝴蝶翅膀，將蝴蝶翅膀在濃度為40wt%的醋酸溶液中浸潰4h，進行表面預處理；(2)配置前軀體金屬鹽溶膠凝膠溶液，其溶質為硝酸鈷，溶劑為乙醇，控制溶液的濃度為O. lmol/L并加熱攪拌；(3)將表面處理好的蝴蝶翅膀放入配制好的前軀體金屬鹽溶膠凝膠溶液進行浸潰處理；(4)浸潰結束，取出樣品，用蒸餾水沖洗后干燥；(5)在顯微鏡下，用鎳針選取單個鱗片，置于載玻片上，在烘箱中徹底干燥，烘箱溫度控制在20°C，保溫小時為12h ；(6)通過焙燒去除單個鱗片的生物模板，焙燒的溫度為450°C，保溫時間為6h，得到保持生物模板光子晶體結構的單鱗片氧化鈷功能材料；(7)在氫氣的體積濃度比為5%的氫氬混合氣體的氣氛下還原燒結處理單鱗片氧化鈷功能材料，處理的溫度為300°C，保 溫時間為12h，得到單個蝴蝶鱗片的磁性光子晶體金屬鈷分級結構，即為產品。實施例5以自然界中的天然光子晶體，蝴蝶翅膀單個鱗片的分級精細結構作為模板，通過浸潰，溶膠凝膠的方法，利用生物化學組分的不同的化學反應性，通過表面的處理和化學改性，顯微鏡下選取單個鱗片得技術方法，先制備具有蝴蝶翅膀光子晶體結構的單鱗片氧化鎳功能材料，進而通過人工控制H2還原的方法制備得到磁性的光子晶體單鱗片金屬鎳功能材料。具體方法包括以下步驟(I)選用具有光子晶體結構的生物材料為模板，本實施例中采用蝴蝶翅膀，將蝴蝶翅膀在濃度為40wt%的醋酸溶液中浸潰4h，進行表面預處理；(2)配置前軀體金屬鹽溶膠凝膠溶液，其溶質為硫酸鎳，溶劑為甘油，控制溶液的濃度為lmol/L并加熱攪拌；(3)將表面處理好的蝴蝶翅膀放入配制好的前軀體金屬鹽溶膠凝膠溶液進行浸潰處理；(4)浸潰結束，取出樣品，用蒸餾水沖洗后干燥；(5)在顯微鏡下，用鎳針選取單個鱗片，置于石英玻璃上，在烘箱中徹底干燥，烘箱溫度控制在160°C，保溫小時為3h ；(6)通過焙燒去除單個鱗片的生物模板，焙燒的溫度為800°C，保溫時間為lh，得到保持生物模板光子晶體結構的單鱗片氧化鎳功能材料；(7)在氫氣的體積濃度比為20%的氫氬混合氣體的氣氛下還原燒結處理單鱗片氧化鎳功能材料，處理的溫度為500°C，保溫時間為3h，得到單個蝴蝶鱗片的磁性光子晶體鎳分級結構，即為產品。
權利要求
1.基于蝴蝶翅膀單個鱗片生物模板制備磁性光子晶體的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟 (1)選用具有光子晶體結構的生物材料為模板，對其進行表面預處理； (2)配置前軀體金屬鹽溶膠凝膠溶液，控制溶液的濃度為O.lmol/L lmol/L并加熱攪拌； (3)將處理好的生物材料放入配制好的前軀體金屬鹽溶膠凝膠溶液進行浸潰處理； (4)浸潰結束，取出樣品，用蒸餾水沖洗后干燥； (5)在顯微鏡下，用鎳針選取單個鱗片，置于襯底上，在烘箱中徹底干燥； (6)通過焙燒去除單個鱗片的生物模板，得到保持生物模板光子晶體結構的單鱗片三氧化二鐵功能材料； (7)在氫氬混合氣體的氣氛下還原燒結處理單鱗片三氧化二鐵功能材料，得到單個蝴蝶鱗片的磁性光子晶體四氧化三鐵分級結構，即為產品。
2.根據權利要求I所述的基于蝴蝶翅膀單個鱗片生物模板制備磁性光子晶體的方法，其特征在于，步驟(I)中所述的具有光子晶體結構的生物材料為蝴蝶翅膀。
3.根據權利要求I所述的基于蝴蝶翅膀單個鱗片生物模板制備磁性光子晶體的方法，其特征在于，步驟(I)中采用濃度為40wt%的醋酸溶液對生物材料的表面進行預處理，將生物材料在醋酸溶液中浸潰4h。
4.根據權利要求I所述的基于蝴蝶翅膀單個鱗片生物模板制備磁性光子晶體的方法，其特征在于，步驟(2)中所述的前軀體金屬鹽溶膠凝膠溶液的溶質為鐵的氯化物、硝酸鹽或硫酸鹽，溶劑為水、乙醇、甘油或其混合物。
5.根據權利要求I所述的基于蝴蝶翅膀單個鱗片生物模板制備磁性光子晶體的方法，其特征在于，步驟(2)中所述的前軀體金屬鹽溶膠凝膠溶液的溶質還可以是鈷或鎳的氯化物、硝酸鹽或硫酸鹽。
6.根據權利要求I所述的基于蝴蝶翅膀單個鱗片生物模板制備磁性光子晶體的方法，其特征在于，步驟(5)中所述的襯底為平整的載玻片、硅片或石英玻璃片。
7.根據權利要求I所述的基于蝴蝶翅膀單個鱗片生物模板制備磁性光子晶體的方法，其特征在于，步驟(5)中的烘箱溫度控制在20°C 160°C，保溫小時為3 12h。
8.根據權利要求I所述的基于蝴蝶翅膀單個鱗片生物模板制備磁性光子晶體的方法，其特征在于，步驟(6)中所述的焙燒的溫度為450°C 800°C，保溫時間為I 6h。
9.根據權利要求I所述的基于蝴蝶翅膀單個鱗片生物模板制備磁性光子晶體的方法，其特征在于，步驟(7)中所述的還原燒結處理的溫度為300°C 500°C，保溫時間為3 12h。
10.根據權利要求I所述的基于蝴蝶翅膀單個鱗片生物模板制備磁性光子晶體的方法，其特征在于，步驟(7)中所述的氫氬混合氣體中，氫氣的體積濃度比為5 20%。
全文摘要
本發明涉及基于蝴蝶翅膀單個鱗片生物模板制備磁性光子晶體的方法，對整個蝴蝶生物模板進行表面預處理；配制前軀體金屬溶膠凝膠溶液；將處理好的生物模板放入配置好的前軀體溶液中浸漬處理；浸漬結束后，取出樣品，用蒸餾水沖洗，干燥；在顯微鏡的幫助下，挑取浸漬后的單個鱗片，烘箱干燥；焙燒去掉單個鱗片的生物模板，就得到保持光子晶體結構的單個蝴蝶鱗片的三氧化二鐵材料；再經過進一步的在氫氬混合氣體中燒結還原，得到保持光子晶體結構的單個蝴蝶鱗片磁性四氧化三鐵材料。本發明制備的具有天然光子晶體結構的單個蝴蝶鱗片磁性材料對磁-光有很好的響應，且控制在納米到微米的尺度范圍，在磁光通訊器件領域有潛在的應用前景。
文檔編號B22F9/22GK102838173SQ20121024412
公開日2012年12月26日 申請日期2012年7月13日 優先權日2012年7月13日
發明者朱申敏, 彭文紅, 張荻, 陳羽, 顧佳俊 申請人:上海交通大學