基于蝴蝶翅膀单个鳞片生物模板制备磁性光子晶体的方法

摘要

本发明涉及基于蝴蝶翅膀单个鳞片生物模板制备磁性光子晶体的方法，对整个蝴蝶生物模板进行表面预处理；配制前躯体金属溶胶凝胶溶液；将处理好的生物模板放入配置好的前躯体溶液中浸渍处理；浸渍结束后，取出样品，用蒸馏水冲洗，干燥；在显微镜的帮助下，挑取浸渍后的单个鳞片，烘箱干燥；焙烧去掉单个鳞片的生物模板，就得到保持光子晶体结构的单个蝴蝶鳞片的三氧化二铁材料；再经过进一步的在氢氩混合气体中烧结还原，得到保持光子晶体结构的单个蝴蝶鳞片磁性四氧化三铁材料。本发明制备的具有天然光子晶体结构的单个蝴蝶鳞片磁性材料对磁-光有很好的响应，且控制在纳米到微米的尺度范围，在磁光通讯器件领域有潜在的应用前景。

说明书

技术领域

本发明属于材料科学领域，尤其是涉及一种基于蝴蝶翅膀单个鳞片生物模板 制备磁性光子晶体的方法，具体地说，涉及的是一种在单个蝴蝶鳞片上，利用二次 烧结的方法材料制备单鳞片磁性光子晶体的方法。

背景技术

光子晶体的概念自提出之后，就引起了人们的广泛关注，由于其可以对光进行 调控的特殊性能，使得它在通讯，光学传输，纳米器件方面有着潜在的应用的前景。

制备能够在可见光范围内对光进行调控的光子晶体，在目前的实验技术条件下 仍然是一件非常昂贵并且具有挑战性的工作。它的困难在于制备周期性的，几十个 纳米到微米尺寸的结构。而这种结构在自然界中广泛的存在，如蝴蝶，昆虫的翅膀， 孔雀的羽毛等等。经对现有技术文献的检索发现，人们利用原始的蝴蝶来制备各种 具有周期性结构的光子晶体功能材料。G.Cook，等在《Angewandte Chemie  International Edition》(德国应用物理化学)于2003年5期，557页报道了“Exact  Replication of Biological Structures by Chemical Vapor Deposition of Silica”(利用化 学气相沉积法精确制备具有生物结构的二氧化硅)，以整片的蝴蝶为模板，利用化 学气相沉积的方法，制备光子晶体氧化硅功能材料。Jingyun Huang等在《Nano  Letters》(纳米快报)与2006年6期，2335页报道了(Controlled Replication of Butterfly  Wings forAchieving Tunable Photonic Properties)(以蝴蝶翅膀为模板制备得到的光 子晶体进行光学调控)以绚丽的大蓝闪蝶为模板，利用原子沉积的方法在蝴蝶的表 面沉积一层氧化铝材料，再通过高温烧结去掉蝴蝶的原始模板而等到氧化铝的蝴蝶 复制品。实现对光在可见光范围内的调控。Wenhong Peng等在<Advanced  Functional Materials>(先进功能材料)于2012年10期，2072页上报道了“3D Network Magnetophotonic Crystals Fabricated on Morpho Butterfy Wing Templates” (以大蓝闪蝶为模板制备三维网状磁性光子晶体)以整片的大蓝闪蝶蝴蝶为模板， 通过溶胶凝胶的方法，制备磁性光子晶体。在这些利用生物模板制备光子晶体的方 法中，都采用了整只的蝴蝶为模板进行复制。从文献的报道Shinya Yoshioka等在 Proceedings of The Royal Society Biological sciences(皇家协会的生物科学)于2006 年273期，129页报道了“Structural or pigmentary？Origin ofthe distinctive white  stripe on the blue wing ofa Morpho butterfly”(结构色还是色素色，原始大蓝闪蝶独 特的白色条纹)系统的研究了蝴蝶的不同部位的鳞片的显微结构。蝴蝶翅膀是一个 非常复杂的光学系统，它的内部是有成百万的鳞片单元组成。以整只蝴蝶制备得到 的功能材料限制了对其光学性能规律的深入研究和掌握。而制备单个的鳞片的功能 材料是一项精细的具有挑战性的工作，这就极大的限制了光纳米器件的研究与应 用。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于蝴蝶翅 膀单个鳞片生物模板制备磁性光子晶体的方法，利用了二次烧结与显微镜下提取单 鳞片技术，合成具有光子晶体结构的微米级的单鳞片磁性材料，这种磁性光子晶体 结构极大的提高了对磁-光的响应，因而在磁光通讯器件领域有广泛的应用前景。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

以自然界中的天然光子晶体，蝴蝶翅膀单个鳞片的分级精细结构作为模板，通 过浸渍，溶胶凝胶的方法，利用生物化学组分的不同的化学反应性，通过表面的处 理和化学改性，显微镜下选取单个鳞片得技术方法，先制备具有蝴蝶翅膀光子晶体 结构的单鳞片Fe₂O₃功能材料，进而通过人工控制H₂还原的方法制备得到磁性的 光子晶体单鳞片Fe₃O₄功能材料。

基于蝴蝶翅膀单个鳞片生物模板制备磁性光子晶体的方法，包括以下步骤：

(1)选用具有光子晶体结构的生物材料为模板，对其进行表面预处理；

(2)配置前躯体金属盐溶胶凝胶溶液，控制溶液的浓度为0.1mol/L～1mol/L 并加热搅拌；

(3)将处理好的生物材料放入配制好的前躯体金属盐溶胶凝胶溶液进行浸渍 处理；

(4)浸渍结束，取出样品，用蒸馏水冲洗后干燥；

(5)在显微镜下，用镍针选取单个鳞片，置于衬底上，在烘箱中彻底干燥；

(6)通过焙烧去除单个鳞片的生物模板，得到保持生物模板光子晶体结构的 单鳞片三氧化二铁功能材料；

(7)在氢氩混合气体的气氛下还原烧结处理单鳞片三氧化二铁功能材料，得 到单个蝴蝶鳞片的磁性光子晶体四氧化三铁分级结构，即为产品。

步骤(1)中所述的具有光子晶体结构的生物材料为蝴蝶翅膀。

步骤(1)中采用浓度为40wt％的醋酸溶液对生物材料的表面进行预处理，将 生物材料在醋酸溶液中浸渍4h。

步骤(2)中所述的前躯体金属盐溶胶凝胶溶液的溶质为铁、钴或镍的氯化物、 硝酸盐或硫酸盐。

步骤(2)中所述的前躯体金属盐溶胶凝胶溶液的溶剂为水、乙醇、甘油或其 混合物。

步骤(5)中所述的衬底为载玻片、硅片、石英玻璃的平整玻璃片。

步骤(5)中的烘箱温度控制在20℃～160℃，保温小时为3～12h。

步骤(6)中所述的焙烧的温度为450℃～800℃，保温时间为1～6h。

步骤(7)中所述的还原烧结处理的温度为300℃～500℃，保温时间为3～12h。

步骤(7)中所述的氢氩混合气体中，氢气的体积浓度比为5～20％。

与现有技术相比，本发明以自然界中的具有光子晶体结构的生物材料蝴蝶翅 膀单个鳞片作为模板，利用浸渍处理以及一系列的化学反应实现了磁性光子晶体的 制备，创造了一种快速，简单，有效，环保的制备微米尺寸的特殊功能新材料的方 法。所制备的材料完整的保留了生物模板的精细单个鳞片三维光子晶体结构，极大 的提高了对磁-光的响应性能。通过选用不同的生物模板，可以制备得到多样结构 的磁-光有响应的纳米-微米尺寸的磁性材料，由其制得的磁光器件将在磁光存储和 通讯等领域出现广阔的应用前景。

另外，本发明不是基于整个蝴蝶的复制，而是针对性的选取单个的鳞片在微 米尺度上来制备合成所需要的光子晶体，且工艺简单，可控性好。合成的磁性材料 完整的保留了单个鳞片生物模板的光子晶体结构。

附图说明

图1为利用蝴蝶翅单个鳞片生物模板二次烧结技术合成的磁性光子晶体的三 维立体显微镜图。

图2为利用蝴蝶翅膀单个鳞片生物模板二次烧结技术合成的磁性光子晶体的 扫描电镜图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

基于蝴蝶翅膀单个鳞片生物模板制备磁性光子晶体的方法，包括以下步骤：

第一步，将蝴蝶翅膀放入40wt％CH₃COOH溶液中4小时后，以溶去烧结不 易除去的矿物质，然后，用蒸馏水冲洗，干燥备用。

第二步，前躯体溶液的配制。FeCl₃溶液的配制方案：在热水浴的条件下，配 置浓度为0.1mol/L的氯化铁乙醇溶液。

第三步，将处理好的蝴蝶翅膀放入配置好的前躯体溶液中浸泡12小时

第四步，浸泡结束后，取出样品，用蒸馏水冲洗，然后放入烘箱中50℃温 度范围内干燥10个小时。

第五步：在显微镜的帮助下，用镍针选取单个鳞片，置于硅片衬底上，在烘箱 中60℃，10小时，彻底干燥。

第六步：干燥后，在450℃温度下烧结去掉生物模板，得到具有生物模板光 子晶体结构的单鳞片三氧化二铁功能材料；

第七步，上述产物再进一步在氢气浓度为20％的氢氩混合气体400℃烧结得 到具有光子晶体结构的磁性单鳞片四氧化三铁材料。制备得到的磁性光子晶体材料 保留了原始蝴蝶翅膀单个鳞片的分级多孔形态结构。并具有磁学和光学的响应。

图1是利用蝴蝶单鳞片生物模板二次烧结技术合成的磁性光子晶体的三维立 体显微镜图。从图中可以看出制备得到单个鳞片的四氧化三铁呈现出金属彩虹色。

图2是利用蝴蝶单鳞片生物模板二次烧结技术合成的磁性光子晶体的扫描电 镜图。从图中可以看出制备的四氧化三铁保留了生物模板三维的光子晶体结构，以 及脊上的精细结构。

实施例2

基于蝴蝶翅膀单个鳞片生物模板制备磁性光子晶体的方法，包括以下步骤：

第一步，将蝴蝶翅膀放入40wt％CH₃COOH溶液中4小时后，以溶去烧结不 易除去的矿物质，然后，用蒸馏水冲洗，干燥备用。

第二步，前躯体溶液的配制。FeCl₃溶液的配制方案：在热水浴的条件下，配 置浓度为0.1mol/L的氯化铁乙醇溶液。

第三步，将处理好的蝴蝶翅膀放入配置好的前躯体溶液中浸泡20小时

第四步，浸泡结束后，取出样品，用蒸馏水冲洗，然后放入烘箱中60℃温 度范围内干燥10个小时。

第五步：在显微镜的帮助下，用镍针选取单个鳞片，置于石英片衬底上，在烘 箱中80℃，10小时，彻底干燥。

第六步：干燥后，在500℃温度下烧结去掉生物模板，得到具有生物模板光 子晶体结构的单鳞片三氧化二铁功能材料；

第七步，上述产物再进一步在氢气浓度为10％的氢氩混合气体下450℃烧结 得到具有光子晶体结构的磁性单鳞片四氧化三铁材料。扫描和透射电镜的分析表 明，制备得到的磁性光子晶体材料保留了原始蝴蝶翅膀的分级多孔形态结构。拉曼 光谱的分析表明所制备得到的是四氧化三铁。反射光谱分析表明，制备材料具有结 构色。

实施例3

基于蝴蝶翅膀单个鳞片生物模板制备磁性光子晶体的方法，包括以下步骤：

第一步，将蝴蝶翅膀放入40wt％CH₃COOH溶液中4小时后，以溶去烧结不 易除去的矿物质，然后，用蒸馏水冲洗，干燥备用。

第二步，前躯体溶液的配制。FeCl₃溶液的配制方案：在热水浴的条件下，配 置浓度为1mol/L的氯化铁乙醇溶液。

第三步，将处理好的蝴蝶翅膀放入配置好的前躯体溶液中浸泡48小时

第四步，浸泡结束后，取出样品，用蒸馏水冲洗，然后放入烘箱中80℃温 度范围内干燥10个小时。

第五步：在显微镜的帮助下，用镍针选取单个鳞片，置于载玻片衬底上，在烘 箱中30℃，12小时，彻底干燥。

第六步：干燥后，在800℃温度下烧结去掉生物模板，得到具有生物模板光 子晶体结构的单鳞片三氧化二铁功能材料；

第七步，上述产物再进一步在氢气浓度为5％的氢氩混合气体下500℃烧结， 保温12小时，得到具有光子晶体结构的磁性单鳞片四氧化三铁材料。扫描和透射 电镜的分析表明，制备得到的磁性光子晶体材料保留了原始蝴蝶翅膀的分级多孔形 态结构。显微照片，反射光谱分析表明，制备材料具有结构色。

实施例4

以自然界中的天然光子晶体，蝴蝶翅膀单个鳞片的分级精细结构作为模板，通 过浸渍，溶胶凝胶的方法，利用生物化学组分的不同的化学反应性，通过表面的处 理和化学改性，显微镜下选取单个鳞片得技术方法，先制备具有蝴蝶翅膀光子晶体 结构的单鳞片氧化钴功能材料，进而通过人工控制H₂还原的方法制备得到磁性的 光子晶体单鳞片金属钴功能材料。具体方法包括以下步骤：

(1)选用具有光子晶体结构的生物材料为模板，本实施例中采用蝴蝶翅膀， 将蝴蝶翅膀在浓度为40wt％的醋酸溶液中浸渍4h，进行表面预处理；

(2)配置前躯体金属盐溶胶凝胶溶液，其溶质为硝酸钴，溶剂为乙醇，控制 溶液的浓度为0.1mol/L并加热搅拌；

(3)将表面处理好的蝴蝶翅膀放入配制好的前躯体金属盐溶胶凝胶溶液进行 浸渍处理；

(4)浸渍结束，取出样品，用蒸馏水冲洗后干燥；

(5)在显微镜下，用镍针选取单个鳞片，置于载玻片上，在烘箱中彻底干燥， 烘箱温度控制在20℃，保温小时为12h；

(6)通过焙烧去除单个鳞片的生物模板，焙烧的温度为450℃，保温时间为 6h，得到保持生物模板光子晶体结构的单鳞片氧化钴功能材料；

(7)在氢气的体积浓度比为5％的氢氩混合气体的气氛下还原烧结处理单鳞 片氧化钴功能材料，处理的温度为300℃，保温时间为12h，得到单个蝴蝶鳞片的 磁性光子晶体金属钴分级结构，即为产品。

实施例5

以自然界中的天然光子晶体，蝴蝶翅膀单个鳞片的分级精细结构作为模板，通 过浸渍，溶胶凝胶的方法，利用生物化学组分的不同的化学反应性，通过表面的处 理和化学改性，显微镜下选取单个鳞片得技术方法，先制备具有蝴蝶翅膀光子晶体 结构的单鳞片氧化镍功能材料，进而通过人工控制H₂还原的方法制备得到磁性的 光子晶体单鳞片金属镍功能材料。具体方法包括以下步骤：

(1)选用具有光子晶体结构的生物材料为模板，本实施例中采用蝴蝶翅膀， 将蝴蝶翅膀在浓度为40wt％的醋酸溶液中浸渍4h，进行表面预处理；

(2)配置前躯体金属盐溶胶凝胶溶液，其溶质为硫酸镍，溶剂为甘油，控制 溶液的浓度为1mol/L并加热搅拌；

(3)将表面处理好的蝴蝶翅膀放入配制好的前躯体金属盐溶胶凝胶溶液进行 浸渍处理；

(4)浸渍结束，取出样品，用蒸馏水冲洗后干燥；

(5)在显微镜下，用镍针选取单个鳞片，置于石英玻璃上，在烘箱中彻底干 燥，烘箱温度控制在160℃，保温小时为3h；

(6)通过焙烧去除单个鳞片的生物模板，焙烧的温度为800℃，保温时间为 1h，得到保持生物模板光子晶体结构的单鳞片氧化镍功能材料；

(7)在氢气的体积浓度比为20％的氢氩混合气体的气氛下还原烧结处理单鳞 片氧化镍功能材料，处理的温度为500℃，保温时间为3h，得到单个蝴蝶鳞片的磁 性光子晶体镍分级结构，即为产品。