Пористые шаблоны из оксида алюминия
Наноструктурированные шаблоны из оксида алюминия и диоксида титана, полученные анодированием металлических подложек, являются наиболее часто используемыми шаблонами для изготовления наноматериалов.
Шаблоны из оксида алюминия (Alumina Porous Templates) широко используются для изготовления массивов нанопроволок, особенно металлических нанопроволок.
Металлические нанопроволоки являются одним из самых привлекательных материалов из-за их уникальных свойств, которые могут найти множество применений.
Примеры включают межсоединения для наноэлектроники, магнитных устройств, химических и биологических датчиков и биологических меток.
Важным методом изготовления является электрохимический метод. Путем осаждения металлов в нанопоры изготавливаются нанопроволоки с диаметром, заранее определяемым диаметром нанопор.
Нанопоры в шаблоне формируются путем анодирования алюминиевых пленок в кислом электролите.
Отдельные нанопоры в шаблонах из оксида алюминия могут быть пространственно распределены в плотно упакованную упорядоченную сотовую структуру.
Диаметр каждой поры и расстояние между двумя соседними порами можно контролировать, изменяя условия анодирования.
Этот оригинальный одностадийный метод анодирования до сих пор используется для изготовления большинства коммерческих мембран из пористого оксида алюминия.
Келлер и др. (1953) представили соответствующие размеры анодных покрытий, сформированных в электролитах серной кислоты, щавелевой кислоты, хромовой кислоты и фосфорной кислоты.
Было обнаружено, что размер пор зависит от используемого электролита и не зависит от приложенного напряжения. Толщина стенки и толщина барьера в первую очередь зависят от формирующего напряжения и в незначительной степени зависят от типа электролита.
О'Салливан и Вуд (1970) изучали морфологию пористых пленок анодного оксида, сформированных на алюминии в фосфорнокислых электролитах, при постоянной плотности тока или напряжении и при изменении электрических или электролитических условий.
Было обнаружено, что при формовании при постоянной плотности тока зарождение пор происходит путем слияния локально утолщенных оксидных областей, что связано с субструктурой подложки, и последующей концентрации тока в остаточных тонких областях. Поры увеличиваются в диаметре и изменяются в количестве до тех пор, пока не установится стационарная морфология. Было обнаружено, что стационарная толщина барьерного слоя, диаметр ячеек и диаметр пор прямо пропорциональны пластовому напряжению.
Был предложен простой геометрический механизм для объяснения размеров клеток и пор. В соответствии с этим механизмом толщина барьерного слоя, определяемая в основном равновесием между образованием оксида в барьерном слое и растворением под действием поля в основании пор, определяет размеры ячеек и пор.
Для формирования хорошо упорядоченных пор необходимы этапы предварительного отжига и электрополировки для снятия механического напряжения, увеличения размера зерна и создания однородных поверхностей алюминиевых пленок.
Есенский и др. (1998) и Масуда и Фукуда (1995) сообщили, что анодирование в течение длительного периода при соответствующем постоянном напряжении может привести к почти идеальной сотовой структуре. Оптимальное напряжение зависит от электролита, используемого для анодирования.
Диаметр и глубина каждой поры, а также расстояние между соседними порами также могут регулироваться условиями анодирования. И диаметр пор, и расстояние между порами пропорциональны напряжению анодирования.
Например, травление в 3 мл H2SO4, растворенной в 100 мл воды при приложенном напряжении 30 В приводит к образованию пор диаметром 25 нм. В результате обработки в течение 1 ч получается шаблон толщиной 100 мкм.
Другой способ создания массива высокоупорядоченных нанопор на больших площадях заключается в использовании процесса предварительного текстурирования алюминия, в котором массив неглубоких вогнутых элементов первоначально формируется на алюминии путем вдавливания.
Эти вогнутые элементы служат местами зарождения для образования пор на начальной стадии анодирования. Расстояние между порами можно контролировать с помощью предварительно текстурированного рисунка и приложенного напряжения.
Помимо морфологии и пористости, кристаллическую структуру шаблона из пористого оксида алюминия можно контролировать с помощью термической обработки после анодирования.
Комментарии