專利名稱：一種基于生物模板制備磁性的光子晶體的方法
一種基于生物模板制備磁性的光子晶體的方法技術領域
本發明屬于材料科學領域，尤其是涉及一種具有蝴蝶翅膀光子晶體結構的磁光材料的制備方法，具體地說，涉及的是一種在生物模板上，利用二次燒結的方法材料制備磁性光子晶體的方法。
背景技術：
在磁場的作用下，物質的電磁特性(如磁導率、磁化強度、磁疇結構等)會發生變化，使光波在其內部的傳輸特性(如偏振狀態、光強、相位、傳輸方向等)也隨之發生變化的現象稱為磁光效應。磁光效應包括法拉第效應、克爾效應、塞曼效應、磁致雙折射效應以及后來發現的磁圓振二向色性、磁線振二向色性、磁激發光散射、磁場光吸收、磁離子體效應和光磁效應等。
利用克爾磁光效應的磁光存儲，利用偏振光通過磁光介質發生偏振面旋轉來調制光束的磁光調制器，通過外加磁場的改變來改變磁光晶體對入射偏振光偏振面的作用，從而達到切換光路的效果的磁光開關。磁性光子晶體調控電磁波的特性使其具有廣泛的應用前景。
而如何制備磁性光子晶體材料是首要解決的問題。經對現有技術文獻的檢索發現，一般的方法是，將磁性的物質引入到具有光子晶體結構的材料中，Kodama T等在 《physica status solidi (b))) 凝聚態物理 于 2004 年 241 期，1597 頁上報道了“Opal photonic crystals impregnated with magnetite，，( 四氧化三鐵填充至Ij蛋白石光子晶體中)以3102球堆積的具有蛋白石結構的膜為模板，在其表面覆蓋一層狗304，實現了 SiO2/ I^e3O4磁光響應材料的制備。houe M等在《Journal of Materials Chemistry》(〈材料化學雜志 >)上于 2006 年 16 期，678 頁上報道了，“Magnetophotonic crystals-a novel magneto-optic material with artificial
periodic structures^磁性光子晶體-一種新型的磁光材料具有人工的周期性結構)，采用一層SW2 —層Bi:YIG濺射的方法制備得到了一維的磁性光子晶體，而同濟大學的葛建平課題組，在《Angew. Chem. Int. Ed.》(德國應用化學)于2007年，46期，7似8頁 JliIxiST "Highly Tunable Superparamagnetic Colloidal Photonic Crystals，，(可i周控的超順磁性凝膠光子晶體)，采用水溶液的方法，讓四氧化三鐵的小球自組裝成磁性光子晶體結構，從而在外加的磁場下得到不同結構參數的磁性光子晶體。在這些實驗的制備方法中，都采用表面覆蓋，或者水溶膠等方法，原因在于磁性的納米顆粒本身的磁性相互作用力，使其很容易團聚，需要外加的力來平衡這種磁性材料自身的相互作用力。這也是為什么在理論上關于磁性光子晶體的報道已經非常之多，而實驗的工作卻非常的有限。由于三維磁性光子晶體的制備仍然是一項項具有挑戰性的工作，這就極大地限制了磁光器件的理論研究與應用。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以自然界中的天然光子晶體，蝴蝶翅膀的分級精細結構作為模板，通過浸漬，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，先制備具有蝴蝶翅膀光子晶體結構的狗203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!^e3O4 功能材料。本發明創造性的利用了二次燒結技術，合成具有光子晶體結構的磁性材料，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
一種基于生物模板制備磁性的光子晶體的方法，包括以下步驟
第一步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；
第二步配置前軀體金屬鹽溶膠凝膠溶液，濃度為0. lmol/L lmol/L，加熱攪拌；
第三步將處理好的生物模板放入配制好的前軀體溶液浸漬處理；
第四步浸漬結束后，取出樣品，用蒸餾水沖洗、干燥，焙燒去掉生物模板，就得到保持生物模板光子晶體結構的三氧化二鐵功能材料；
第五步在氫氬混合氣體的氣氛下燒結還原處理得到磁性光子晶體四氧化三鐵分級結構。
所述的生物材料為蝴蝶翅膀、孔雀羽毛、鸚鵡羽毛或海老鼠毛的具有光子晶體結構的生物材料，采用醋酸溶液對生物模板表面進行表面預處理處理。
前軀體的溶質為鐵、鈷、鎳的氯化物、硝酸鹽或硫酸鹽。
前軀體的溶劑為水、乙醇、甘油或其混合物。
所述的焙燒，其溫度為450°C -800°C，保溫時間為1_6小時。
所述的還原燒結，其溫度為300°C _500°C，保溫時間為3-12小時。
所述的氫氬混合氣體中，氫氣的體積濃度比為5 20%。
本發明以自然界中的具有光子晶體結構的生物材料作為模板，利用浸漬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。
與現有的技術相比，本發明具有實質性特點和顯著進步，不需要借助表面覆蓋，或者水凝膠溶液等外加的作用力來平衡磁性材料本身的相互作用力以實現磁性光子晶體的制備。且工藝簡單，可控性好。合成的磁性材料完整的保留了生物模板的光子晶體結構。
圖1為是利用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是利用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。
圖3是利用生物模板二次燒結技術合成的磁性光子晶體的磁滯回線。
具體實施方式
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1
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。？化13溶液的配制方案在熱水浴的條件下，配置濃度為0. 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。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三氧化二鐵功能材料；
第五步，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的分級多孔形態結構。并具有磁學和光學的響應。
圖1是利用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四氧化三鐵具有生物模板光子晶體結構，并呈現出金屬彩虹色。
圖2是利用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。
圖3是利用生物模板二次燒結技術合成的磁性光子晶體的磁滯回線。從圖中可以看出制備得到的四氧化三鐵具有磁學性能。
實施例2
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0. 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。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三氧化二鐵功能材料；
第五步，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。磁滯回線的分析表明，制備材料的飽和磁化率為3kmu/g，具有磁性，反射光譜分析表明，制備材料具有結構色。
實施例3
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。？化13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。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三氧化二鐵功能材料；
第五步，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。磁滯回線的分析表明，制備材料的飽和磁化率為40emu/g，具有磁性，反射光譜分析表明，制備材料具有結構色。
權利要求
1.一種基于生物模板制備磁性的光子晶體的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟第一步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； 第二步配置前軀體金屬鹽溶膠凝膠溶液，濃度為0. lmol/L lmol/L，加熱攪拌； 第三步將處理好的生物模板放入配制好的前軀體溶液浸漬處理； 第四步浸漬結束后，取出樣品，用蒸餾水沖洗、干燥，焙燒去掉生物模板，就得到保持生物模板光子晶體結構的三氧化二鐵功能材料；第五步在氫氬混合氣體的氣氛下燒結還原處理得到磁性光子晶體四氧化三鐵分級結構。
2.根據權利要求1所述的一種基于生物模板制備磁性的光子晶體的方法，其特征在于，所述的生物材料為蝴蝶翅膀、孔雀羽毛、鸚鵡羽毛或海老鼠毛的具有光子晶體結構的生物材料，采用醋酸溶液對生物模板表面進行表面預處理處理。
3.根據權利要求1所述的一種基于生物模板制備磁性的光子晶體的方法，其特征在于，前軀體的溶質為鐵、鈷、鎳的氯化物、硝酸鹽或硫酸鹽。
4.根據權利要求1所述的一種基于生物模板制備磁性的光子晶體的方法，其特征在于，前軀體的溶劑為水、乙醇、甘油或其混合物。
5.根據權利要求1所述的一種基于生物模板制備磁性的光子晶體的方法，其特征在于，所述的焙燒，其溫度為450°C _800°C，保溫時間為1-6小時。
6.根據權利要求1所述的一種基于生物模板制備磁性的光子晶體的方法，其特征在于，所述的還原燒結，其溫度為300°C _500°C，保溫時間為3-12小時。
7.根據權利要求1所述的一種基于生物模板制備磁性的光子晶體的方法，其特征在于，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
本發明涉及一種基于生物模板制備磁性的光子晶體的方法，屬于材料科學領域，包括以下幾個步驟步驟一，對生物模板進行表面預處理；步驟二，配制前軀體金屬溶膠凝膠溶液；步驟三，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；步驟四，浸漬結束后，取出樣品，用蒸餾水沖洗，干燥，焙燒去掉生物模板，就得到保持光子晶體結構的三氧化二鐵材料；步驟五，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磁性四氧化三鐵材料。與現有技術相比，本發明制備的具有天然光子晶體結構的磁性材料對磁-光有很好的響應，因而在磁光通訊器件領域有潛在的應用前景。
文檔編號C01G49/08GK102515282SQ20111040691
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月8日 優先權日2011年12月8日
發明者姚帆, 張荻, 彭文紅, 朱申敏, 殷超 申請人:上海交通大學