低维结构的纳米材料,如纳米管、纳米线等,由于它们本身独特的结构及其相应的物理、化学性能,在纳米器件上具有非常广泛的用途。随着纳米技术的发展,研发纳米功能器件需要结构更加复杂的纳米材料,并且要求对复杂结构能进行更精准地控制。复杂纳米结构模板及其复型技术在这方面上具有非常明显的优势。作为众多模板中的一种,管道分枝结构阳极氧化铝(Anodic Aluminum Oxide,以下简称AAO)模板,因其可控的纳米阵列结构、灵活的制备手段,稳定的制备工艺、低廉的生产成本而受到研究者的青睐。本文采用动态电压生长方式,致力于构造可控管道分枝结构的AAO,同时尝试将各种结构的AAO应用于纳米器件中。前人在研究中发现,稳态阳极氧化反应所得到的AAO,其势垒层厚度、孔间距与阳极氧化电压成正比,因此,人们普遍认为阳极氧化电压直接决定AAO的形貌,而空间电荷层对阳极氧化过程的影响常被忽略。究其原因是由于在稳态阳极氧化过程中,真正决定AAO形貌的两个参数:空间电荷层的自建电场和势垒层上的真实电场,与阳极氧化电压成固定的比例关系。但到了动态下,由于空间电荷的调整滞后于外加电压,其自建电场与阳极氧化电压不再成固定的比例关系,因此,AAO的形貌与阳极氧化电压间的关系更加复杂。本文中,设计实验演示了空间电荷对AAO生长过程的影响,将空间电荷的自建电场抵消掉的外部电场代入前人提出的等场强模型,研究了势垒层生长过程中的“真实等电场模型”的作用,提出了将“势垒层电场”与阳极氧化电压分开的概念,修正了前人所提出生长模型,并将这个模型应用于指导动态电压下的实验过程。MengG.等人利用阶跃电压法,将阳极氧化电压降低到原来的1 /n,生长出了n条管道分枝结构的AAO,他们认为在满足管间距与阳极氧化电压成比例,且管道生长区域的面积相等的条件下,可以可控生长出任意管道分枝数的AAO。但事实上,除了这两个条件之外,还必须考虑各根分枝管道进行可控、有序生长时,在空间上的几何排列要求。分枝管道在实际生长过程中,由于管道之间存在竞争生长,也会生成无序的形貌。因此,我们提出了几何空间分布模型和竞争生长模型,通过设计适当的分枝数以满足空间几何排列规则,并将势垒层腐蚀一定的厚度以抑制AAO的竞争生长,利用阶跃电压制备出了有序、可控形貌的分枝管道结构。利用渐变电压生长方式,可以制备具有特殊管道形貌的AAO,通过不同电压波形组合,使得AAO管道形貌在设计上具有更大的自由度。但遗憾的是,AAO在动态电压下的生长机理非常复杂,目前也还未有系统的研究报道,因此,研究人员一直无法从宏观上把握制备技术,也就无法利用动态电压精确地控制AAO管道的微观形貌。在本文中,通过引入空间电荷量,修正了前人提出的AAO生长理论模型,提出了AAO在动态电压下的生长模型。并用这个模型指导层状分枝管道结构AAO的生长制备,得到了有序形貌的层状结构AAO。WangB.等人利用周期性电压制备了层状结构的AAO光子晶体,发现对AAO进行不同时间的化学腐蚀,可调整光子晶体的光学禁带位置。他们的研究引起了很多学术团队的注意,但是,他们对层状结构AAO的光学性能并不能做出合理的解释。在本文中,提出了基于层状结构AAO的一维光子晶体概念,利用布拉格方程计算了光学禁带位置,通过调整有效折射率和层间距,成功地实现了禁带位置的控制。同时,设计了包含有多种层间距样品,得到了从可见光到红外波段,任意位置、任意数目和任意禁带宽度可控的光子晶体。AAO具有巨大的比表面积且容易吸附水分子,因此是一种构造湿度传感器的理想材料。但前人所制备的AAO湿度传感器只利用了单通孔与外界水蒸气的交换,因此传感器的响应时间较长,对传感器进行填充催化物改进性能也变得不可行。在本文中,我们通过在AAO上溅射多孔金电极,制备出了双通孔结构的AAO湿度传感器。这种结构的传感器在室温下具有较高的灵敏度、快速的响应时间、宽的感湿范围,并且在特定测试频率下,具有线性的|Z|-RH曲线。我们将层状分枝管道结构的AAO引入湿度传感器,在填充了无机盐之后,发现传感器的性能具有很大的提升空间。我们认为这种双通孔结构的AAO除了应用在湿度传感器外,还可以通过填充催化物或复型各种气敏材料,在气体传感器领域有广泛的应用前景。