Anodisk aluminiumoxid

Anodisk aluminiumoxid refererer til en aluminiumoverflade, der er behandlet med elektrokemisk anodisering, hvilket giver en usædvanlig holdbar og korrosionsbestandig finish, der aldrig skrider, skaller eller flager - tre gange hårdere end standardaluminium og 60% lettere!

Denne artikel vil dykke ned i de grundlæggende principper og anvendelser af porøst anodisk aluminiumoxid, herunder som en skabelon til dyrkning af nanotråde og nanorør for at producere metamaterialer med unikke egenskaber.

Karakteristika

Anodisk porøs aluminiumoxid (NPA), også kaldet nanoporøs anodiseret aluminiumoxid (NAA), er et spændende materiale med forskellige anvendelsesmuligheder på grund af dets ordnede og tætte porøse strukturer med porer i størrelsesordenen nanometer i diameter. Disse porer har skabt nye muligheder inden for områder som strukturel farvning og fotonik, samtidig med at de fungerer som skabeloner til at skabe materialer som nanotråde eller nanorør til udvikling af metamaterialer med skræddersyede egenskaber.

Der forskes fortsat i de nøjagtige mekanismer, hvormed disse strukturer dannes, med særlig interesse for anodisk aluminiumoxid. Det involverer både kemiske og elektrokemiske reaktioner, hvor førstnævnte omfatter direkte indsprøjtning af aluminiumioner i en elektrolytopløsning, mens den elektriske modpart finder sted i revner i oxidlaget; sammensætningen af elektrolytopløsningen og det anvendte anodiseringspotentiale er nøglefaktorer, når det kommer til revnernes størrelse.

Når der er dannet revner, kan aluminiumioner, der kastes ud i elektrolytten, interagere med hinanden og skabe selvorganiserede porøse strukturer, der afhænger af anodiseringspotentialet og elektrolyttypen; deres størrelse og form afhænger af faktorer som anodiseringspotentialet samt tilstedeværelsen/fraværet af barrierelag.

Som vist nedenfor udvider porerne sig, når høje elektriske ladninger passerer gennem et anodiseret substrat, mens afstanden mellem porerne mindskes, hvilket fører til sekskantede porerækker, som det ses her; selv om lignende rækker kunne have andre former som rektangulære eller kvadratiske strukturer.

Porernes morfologi afhænger af deres oprindelige placering som præ-mønstrede konkave huller på en anodisk aluminiumoxidoverflade og deres indbyrdes poreafstande. Hvis man bruger grafitgittermønstre med 300 nm afstand mellem porerne, udvikler oxidvæggene trekantede former, mens honeycomb-gittermønstre med 500 nm afstand mellem porerne giver diamantformede porer; i sidste ende påvirker denne form lystransmission og spredningsegenskaber af anodiske aluminiumoxidoverflader.

Anvendelser

Siden Masuda og Moskovits' arbejde er porøs anodisk aluminiumoxid (AAO) blevet en attraktiv nanofabrikationsplatform til forskning inden for mange områder. AAO-nanotemplates er blevet brugt til at fremstille materialer med specifikke egenskaber inden for magnetisme, termoelektricitet og termoelektricitet med reducerede dimensioner; AAO kan let modificeres til at fremstille forskellige morfologier såsom forgrenede strukturer, modulerede eller tredimensionelle nanoporøse strukturer.

AAOs' morfologiske egenskaber bestemmes af både barrierelaget og det anodiske potentiale. Barrierelaget påvirker, hvor hurtigt aluminium afgiver sine ioner til opløsningen, mens det anodiske potentiale påvirker, hvor hurtigt porerne vokser - deres størrelse afhænger af det anvendte anodiske potentiale, temperaturen, elektrolytsammensætningen og forsøgsbetingelserne.

Generelt gælder det, at jo større og tættere porediametrene og afstandene mellem porerne er, jo hurtigere dannes der anodisk oxid. Det skal dog også tages i betragtning, at deres størrelse også kan afhænge af faktorer som overfladekemi, der kan kontrolleres gennem kemisk ætsning eller brug af anodiske forstadier.

Desuden skal det understreges, at porearrangementet ikke kun bestemmes af formen på en indrykket grube, men også påvirkes af de indledende præ-mønstrede konkave grubearrangementer på et substrat. Når man f.eks. bruger FIB-mønstre af konkaviteter med 300 nm afstand mellem porerne på et Al-substrat, opstår der trekantede og rektangulære oxidvægge efter anodisering (fig. 14a-14c).

Ved oxid/elektrolyt-grænsefladen spiller oxalat-arter en vigtig rolle i dannelsen af AAO. Når de kombineres med Al3+-ioner, der udstødes fra porerne under MA-betingelser, reagerer disse oxalat-ioner med dem og danner vandmolekyler, som reducerer barrierelagets modstand og letter yderligere vækst af porematrixstrukturer. I modsætning hertil resulterer ikke-porøs aluminiumoxiddannelse under HA-betingelser med højere modstand i barrierelaget på grund af stress forårsaget af volumenudvidelse ved metal/oxid-grænsefladen.

Forberedelse

Fremstilling af porøs aluminiumoxid kræver anodisering af aluminium i sure elektrolytter. Denne proces indebærer, at iltioner vandrer fra opløsning til metaloverflader og skaber et isolerende oxidbarrierelag på grund af høj elektrisk modstand; kun en lille strøm kan passere gennem det, samtidig med at det virker isolerende og stopper yderligere overfladefordampning.

Temperatur, elektrolytsammensætning og anvendt potentiale under anodisering spiller alle en vigtig rolle i at producere forskellige porestørrelser; deres strukturelle parametre er diameteren og afstanden mellem porerne. For at skabe en mere ensartet struktur af porer kan pulsanodisering give.

Ved denne teknik afbrydes anodiseringen efter en vis tid og genstartes ved et højere potentiale, hvilket øger anodiseringstiden og giver tykkere og mere porøse aluminiumoxidfilm.

Pulsanodisering kan også bruges til at producere forgrenede eller modulerede porer ved at ændre anodiseringsbetingelserne mellem MA og HA i specifikke sekvenser og ændre pulsvarigheden, hvilket producerer porer med flere diametre og høje grader af orden.

Ved at ændre pH-værdien i anodiseringsopløsninger kan man ændre porestørrelsesfordelingen. Det er muligt ved at øge eller mindske koncentrationen af oxalatarter i en elektrolyt; omvendt skal der være færre arter til stede i en elektrolytopløsning for at få mindre porer.

Et andet trin i ændringen af porestrukturerne er den selektive ætsningsproces. Den kan udføres efter anodisering i en opløsning, der indeholder fosforsyre, og resulterer i en 3D-porøs aluminiumoxidmembran med velordnede porer, selv hvis der blev brugt MA-betingelser under anodiseringen, hvilket gør denne metode særligt velegnet til anvendelser, hvor man bruger natriumdamp-gadelygter som gasbeholdere.

Ejendomme

Porøst anodisk aluminiumoxid har tiltrukket sig stor forskningsinteresse i de seneste årtier på grund af dets bemærkelsesværdige fysiske, kemiske og optiske egenskaber. Særligt imponerende er strukturer, der består af funktioner i nanometerskala af dette anodiske materiale til design af optiske enheder som fotoniske krystaller eller lasere.

Dannelsen af komplekse morfologier bestemmes af elektrokemiske reaktioner, der forekommer ved både metal/elektrolyt-grænsefladen og oxid/elektrolyt-grænsefladen, hvor et elektrisk felt, der genereres over et barrierelag, forårsager opløsning af oxid, frigivelse af Al3+-ioner, volumenudvidelse ved metal/oxid-grænsefladen, spændingsgenerering på grund af volumenudvidelse ved denne grænseflade og volumetrisk spænding ved metal/oxid-grænsefladen afhængigt af anodiseringspotentiale, temperatur, syresammensætning og eksperimentelle forhold.

Pulserende anodisering er en af de mest effektive teknikker til at skabe meget kontrollerede poremorfologier, hvilket gør det muligt for anodisatorer at justere porediameteren og afstanden mellem porerne ved at ændre spændingsindstillingerne; desuden kan strukturelle parametre for de dannede membraner justeres ved at ændre potentiale- og tidsindstillingerne for hver anodisator, hvilket fører til Morie-mønstre eller trappestrukturer, hvis det ønskes.

Anodisk aluminiumoxid har en anden fordel for udviklingen af funktionelle materialer: dets evne til at kontrollere overfladekemien. Ved kemisk ætsning eller elektrokemisk aflejring kan det skabe beskyttende belægninger på overfladen; desuden kan termisk behandling eller nano-kradsning ændre dets morfologi eller skabe beskyttende lag på det.

Anodisk aluminiumoxid er en attraktiv platform til at skabe materialer med reduceret dimensionalitet inden for magnetisme, termoelektricitet og andre områder som f.eks. optiske teknikker. Desuden gør dets alsidighed det til en nyttig skabelon for vækst af materialer med forskellige optiske teknikker og kombinerede egenskaber. Hos InRedox producerer og leverer vi anodisk aluminiumoxid-nanotemplates i forskellige formater og specifikationer til forskere, der udforsker videnskabelige og teknologiske muligheder baseret på dette materiale; sådanne templates kan bruges til at undersøge forskellige anvendelser, herunder lysledere og fotoniske krystaller.