新型分级纳米/微米光子结构实现高耐久宽带吸收器的创新制备与应用

本研究针对传统阳极氧化铝(AAO)层在光学吸收与机械耐久性方面的局限，创新性地结合化学浴蚀刻与阳极氧化技术，在铝基底上构建了分级纳米/微米结构表面。该研究成功将多孔铝结构的刚性低密度特性与AAO层的低反射率优势相结合，使材料硬度提升至传统AAO层的2倍、多孔铝层的3倍，反射率降低25%，为太阳能收集、光学器件和防护涂层等领域提供了兼具高效光吸收与机械稳定性的新型材料解决方案。

　　

在材料科学领域，开发具有可调物理特性的新型材料一直是研究热点。特别是纳米结构、超材料和超表面的出现，使得通过微调控制备工艺就能获得独特物理性能成为可能。其中，铝的阳极氧化(anodization)技术因在纳米制造中的重要性和操作简便性，近二十年来受到广泛关注。阳极氧化铝(Anodized Aluminum Oxide, AAO)结构已被应用于光学传感、光伏太阳能转换、电池、吸附剂与催化剂、防护涂层以及光谱学等多个领域。然而，AAO层的质量受多种因素影响，包括铝基底纯度、电解质类型与浓度、阳极氧化过程的温度与电压等，这些因素导致AAO层在光学和机械性能上存在较大变异性。

传统AAO层虽能降低铝的反射率并提高吸收，但其机械硬度有限，且在不同应用场景下对耐久性要求较高。例如，在太阳能应用中，需要高吸收元件在严重机械负载下具有延长耐久性；在光学系统中，低反射率表面能减少杂散光的不利影响；在传感领域，AAO处理与温敏漆、压敏漆结合，可用于各种环境下的温度和压力映射。因此，结合高硬度与低反射率的表面处理技术，对于光学传感和光学设计具有重要意义。

针对上述问题，研究人员开展了一项创新性研究，旨在通过整合两种尺度的结构——微米孔（大）和纳米孔（小）——到单一层中，创建分级纳米/微米混合结构。他们采用简单的化学处理生成铝微孔表面，随后通过阳极氧化过程在顶部添加纳米结构，以结合两种处理方式的优点：微孔结构的高硬度和纳米AAO层的低光学反射率。该研究通过形态、成分、微硬度和半球光谱反射率的测量与分析，系统评估了样品在每个制备步骤中的性能变化，相关成果发表在《Surfaces and Interfaces》上。

为开展研究，研究人员主要采用了以下关键技术方法：使用扫描电子显微镜(SEM)表征表面形态，能量色散X射线光谱(EDX)分析样品成分，Vickers硬度计测量微硬度，以及通过积分球和分光光度计设置测量半球反射率。样品制备包括铝基底的清洁、电抛光、化学蚀刻以及两步阳极氧化过程，所有实验均在标准实验室条件下进行，使用99%纯度的铝基底，并通过控制电解质类型、浓度、电压和温度等参数优化处理效果。

研究结果部分，通过多个子章节详细展示了实验发现：

在结构与形态方面，表面形态随处理步骤发生显著变化。原始铝样品显示粗糙表面纹理，电抛光后变得光滑如镜，化学处理引入大型、不规则分布的孔洞，尺寸达数十微米。EDX测量显示，处理后样品的氧含量减少，符合去除表面氧化层的预期。阳极氧化后，PA（阳极氧化电抛光铝）和PSA（阳极氧化电抛光和多孔铝）样品在纳米尺度上形态相似，但PSA样品显示出更高的孔分布均匀性，孔密度分别为33.3±0.2 holes/μm2和32.6±0.2 holes/μm2，平均孔直径分别为85.6 nm和96.3 nm。EDX分析证实了AAO层的成功形成，主要成分为氧和铝。

在机械性能方面，Vickers硬度测量显示，PSA样品的硬度显著提高，达到146.5 kgf/mm2，是PA样品（71.6 kgf/mm2）的2倍，表明化学蚀刻引入的微孔结构极大增强了表面硬度。这一改进主要归因于多孔层的存在，而非磷化层形成。

在光学性能方面，半球反射率测量表明，抛光样品P在可见光(VIS)和近红外(NIR)范围内反射率高，化学处理后PS样品反射率显著降低，阳极氧化进一步大幅减少反射率。PSA样品结合化学蚀刻和阳极氧化，反射率比PA样品降低25%，突出了分级结构在光捕获和吸收增强方面的协同效应。

研究结论部分强调，通过简单化学蚀刻与阳极氧化的集成，成功制备了分级纳米/微米光子结构。在纳米尺度上，表面形态相似，但微尺度上因蚀刻过程产生的粗糙纹理导致显著差异。PSA样品的硬度是标准AAO层的2倍，反射率降低25%，且孔尺寸更均匀更大。硬度增加与微米孔层的生成相关，反射率降低主要源于纳米孔的存在。这些改进使该结构在需要高光学吸收效率和恶劣条件下耐久性的应用中极具潜力，如太阳能收集、光电探测器、热发射器、传感和防护涂层。未来工作可探索该制备过程的可扩展性及参数优化，以进一步提升性能。

该研究的意义在于，它提供了一种低成本、高效的制备方法，使用常规设备和化学组分，在几平方厘米的大面积上生成准晶纳米结构，为材料工程和光学应用开辟了新途径。通过结合微米和纳米尺度的优势，不仅解决了传统AAO层在机械和光学性能上的限制，还为多功能材料的开发提供了新思路，有望推动太阳能技术、光学设备和保护涂层领域的创新发展。