Anodische Tonerde

Anodische Tonerde bezieht sich auf eine Aluminiumoberfläche, die durch elektrochemisches Eloxieren behandelt wurde, wodurch eine außergewöhnlich haltbare und korrosionsbeständige Oberfläche entsteht, die niemals absplittert, abblättert oder abplatzt - dreimal härter als Standardaluminium und 60% leichter!

Dieser Artikel befasst sich mit den Grundlagen und der Verwendung von porösem anodischem Aluminiumoxid, auch als Vorlage für das Wachstum von Nanodrähten und Nanoröhren zur Herstellung von Metamaterialien mit einzigartigen Eigenschaften.

Merkmale

Anodisch poröses Aluminiumoxid (NPA), auch als nanoporöses anodisiertes Aluminiumoxid (NAA) bezeichnet, ist aufgrund seiner geordneten und dichten porösen Strukturen mit Poren im Bereich von Nanometern Durchmesser ein faszinierendes Material mit vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten. Diese Poren haben neue Möglichkeiten in Bereichen wie der strukturellen Färbung und der Photonik geschaffen und dienen als Vorlagen für die Herstellung von Materialien wie Nanodrähten oder Nanoröhren zur Entwicklung von Metamaterialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften.

Die genauen Mechanismen, durch die sich diese Strukturen bilden, werden weiter erforscht, wobei besonderes Interesse auf anodisches Aluminiumoxid gerichtet ist. Dabei handelt es sich sowohl um chemische als auch um elektrochemische Reaktionen. Erstere beinhaltet die direkte Injektion von Aluminiumionen in eine Elektrolytlösung, während das elektrische Gegenstück in Rissen innerhalb der Oxidschicht stattfindet; die Zusammensetzung der Elektrolytlösung und das angewandte Anodisierungspotenzial sind Schlüsselfaktoren, wenn es um die Rissgröße geht.

Sobald sich Risse gebildet haben, können die in den Elektrolyten geschleuderten Aluminiumionen miteinander interagieren und selbstorganisierte poröse Strukturen bilden, die vom Anodisierungspotenzial und dem Elektrolyttyp abhängen; ihre Größe und Form hängen von Faktoren wie dem Anodisierungspotenzial sowie dem Vorhandensein bzw. Fehlen von Sperrschichten ab.

Wie unten gezeigt, dehnen sich die Poren eines anodisierten Substrats bei hohen elektrischen Ladungen aus, während sich der Abstand zwischen den Poren verringert, was zu hexagonalen Porenanordnungen führt, wie sie hier zu sehen sind; ähnliche Anordnungen können aber auch andere Formen wie rechteckige oder quadratische Strukturen haben.

Die Morphologie der Porenanordnungen hängt von ihrer anfänglichen Anordnung als vorgemusterte konkave Gruben auf einer anodischen Aluminiumoxidoberfläche und ihren Porenabständen ab. Bei Verwendung von Graphitgittermustern mit Porenabständen von 300 nm entwickeln die Oxidwände dreieckige Formen, während Wabengittermuster mit Porenabständen von 500 nm rautenförmige Poren ergeben; diese Form beeinflusst letztlich die Lichtdurchlässigkeit und die Streueigenschaften von anodischen Aluminiumoxidoberflächen.

Anwendungen

Seit den Arbeiten von Masuda und Moskovits ist poröses anodisches Aluminiumoxid (AAO) zu einer attraktiven Nanofabrikationsplattform für die Forschung in zahlreichen Bereichen geworden. AAO-Nanotemplates wurden für die Herstellung von Materialien mit spezifischen Eigenschaften in Bezug auf Magnetismus, Thermoelektrizität und Thermoelektrizität bei reduzierten Abmessungen verwendet. AAO kann leicht modifiziert werden, um verschiedene Morphologien wie verzweigte Strukturen, modulierte oder dreidimensionale nanoporöse Strukturen zu erzeugen.

Die morphologischen Eigenschaften von AAOs werden sowohl durch die Sperrschicht als auch durch das anodische Potenzial bestimmt. Die Sperrschicht wirkt sich darauf aus, wie schnell Aluminium seine Ionen in die Lösung abgibt, während das anodische Potenzial beeinflusst, wie schnell die Poren wachsen - ihre Größe hängt vom angelegten anodischen Potenzial, der Temperatur, der Elektrolytzusammensetzung und den Versuchsbedingungen ab.

Generell gilt: Je größer und enger die Porendurchmesser und Porenabstände sind, desto schneller bildet sich ein anodisches Oxid. Es sollte jedoch auch berücksichtigt werden, dass ihre Größe auch von Faktoren wie der Oberflächenchemie abhängen kann, die durch chemisches Ätzen oder die Verwendung von anodischen Vorläufern gesteuert werden kann.

Ferner ist zu betonen, dass die Porenanordnung nicht nur durch die Form einer eingedrückten Vertiefung bestimmt wird, sondern auch durch die anfängliche Anordnung der konkaven Vertiefungen auf einem Substrat beeinflusst wird. Bei der Verwendung von FIB-Mustern von konkaven Vertiefungen mit 300 nm Abstand zwischen den Poren auf einem Al-Substrat entstehen nach der Anodisierung beispielsweise dreieckige und rechteckige Oxidwände (Abb. 14a-14c).

An der Oxid/Elektrolyt-Grenzfläche spielen Oxalat-Spezies eine wesentliche Rolle bei der Bildung von AAO. In Verbindung mit Al3+-Ionen, die unter MA-Bedingungen aus den Poren ausgetrieben werden, reagieren diese Oxalat-Ionen mit ihnen zu Wassermolekülen, die den Widerstand der Sperrschicht verringern und das weitere Wachstum der Porenmatrixstrukturen erleichtern. Im Gegensatz dazu kommt es unter HA-Bedingungen zur Bildung von nichtporösem Aluminiumoxid mit höherem Widerstand an der Sperrschicht aufgrund von Spannungen, die durch die Volumenausdehnung an der Metall/Oxid-Grenzfläche verursacht werden.

Vorbereitung

Die Herstellung von porösem Aluminiumoxid erfordert die Anodisierung von Aluminium in sauren Elektrolyten. Bei diesem Prozess wandern Sauerstoffionen aus der Lösung auf die Metalloberfläche und bilden eine isolierende Oxid-Sperrschicht, durch die aufgrund des hohen elektrischen Widerstands nur ein geringer Strom fließen kann und die gleichzeitig isolierend wirkt und eine weitere Verdampfung der Oberfläche verhindert.

Temperatur, Elektrolytzusammensetzung und das während der Anodisierung angelegte Potenzial spielen eine wesentliche Rolle bei der Erzeugung unterschiedlicher Porengrößen, deren Strukturparameter der Durchmesser und der Abstand zwischen den Poren sind. Um eine einheitlichere Struktur der Poren zu schaffen, kann die Pulsanodisierung eingesetzt werden.

Bei dieser Technik wird die Anodisierung nach einer bestimmten Zeit unterbrochen und bei einem höheren Potenzial wieder aufgenommen, wodurch sich die Anodisierungszeit verlängert und dickere, porösere Aluminiumoxidschichten entstehen.

Die Pulsanodisierung kann auch zur Herstellung verzweigter oder modulierter Poren verwendet werden, indem die Anodisierungsbedingungen zwischen MA und HA in bestimmten Sequenzen geändert werden und die Pulsdauer verändert wird, wodurch Poren mit verschiedenen Durchmessern und hohem Ordnungsgrad entstehen.

Durch Änderung des pH-Werts von Anodisierungslösungen kann die Porengrößenverteilung verändert werden. Dies ist möglich, indem die Konzentration der Oxalatarten in einem Elektrolyten erhöht oder verringert wird. Umgekehrt sollten für kleinere Poren weniger Arten in einer Elektrolytlösung vorhanden sein.

Ein weiterer Schritt zur Veränderung der Porenstrukturen ist das selektive Ätzen. Dieses kann nach der Anodisierung in einer phosphorsäurehaltigen Lösung durchgeführt werden und führt zu einer porösen 3D-Aluminiumoxidmembran mit gut geordneten Poren, selbst wenn bei der Anodisierung MA-Bedingungen verwendet wurden; daher eignet sich diese Methode besonders für Anwendungen, bei denen Natriumdampf-Straßenlaternen als Gasbehälter verwendet werden.

Eigenschaften

Poröses anodisches Aluminiumoxid hat in den letzten Jahrzehnten aufgrund seiner bemerkenswerten physikalischen, chemischen und optischen Eigenschaften großes Forschungsinteresse geweckt. Besonders beeindruckend sind Strukturen mit nanometergroßen Merkmalen aus diesem anodischen Material für die Entwicklung optischer Geräte wie photonische Kristalle oder Laser.

Die Bildung komplexer Morphologien wird durch elektrochemische Reaktionen bestimmt, die sowohl an der Metall/Elektrolyt-Grenzfläche als auch an der Oxid/Elektrolyt-Grenzfläche ablaufen, wo ein elektrisches Feld, das über eine Barriereschicht erzeugt wird, die Auflösung von Oxid, die Freisetzung von Al3+-Ionen, die Volumenausdehnung an der Metall/Oxid-Grenzfläche, die Erzeugung von Spannungen aufgrund der Volumenausdehnung an dieser Grenzfläche und volumetrische Spannungen an der Metall/Oxid-Grenzfläche in Abhängigkeit vom Anodisierungspotenzial, der Temperatur, der Säurezusammensetzung und den Versuchsbedingungen bewirkt.

Die gepulste Anodisierung ist eine der effizientesten Techniken zur Erzeugung hochgradig kontrollierter Porenmorphologien, die es den Anodisierern ermöglicht, den Porendurchmesser und den Porenabstand durch Änderung der Spannungseinstellungen anzupassen. Darüber hinaus können die strukturellen Parameter der gebildeten Membranen durch Änderung der Potenzial- und Zeiteinstellungen für jeden Anodisierer angepasst werden, was auf Wunsch zu Morie-Mustern oder Treppenstrukturen führt.

Anodisches Aluminiumoxid bietet einen weiteren Vorteil für die Entwicklung funktioneller Materialien: seine Fähigkeit, die Oberflächenchemie zu kontrollieren. Durch chemisches Ätzen oder elektrochemische Abscheidung können Schutzschichten auf der Oberfläche erzeugt werden; außerdem können thermische Behandlungen oder Nanokratzer die Morphologie verändern oder Schutzschichten auf der Oberfläche erzeugen.

Anodisches Aluminiumoxid bietet eine attraktive Plattform für die Herstellung von Materialien mit reduzierter Dimensionalität in den Bereichen Magnetismus, Thermoelektrizität und anderen Bereichen, wie z. B. optischen Techniken. Darüber hinaus ist es aufgrund seiner Vielseitigkeit eine nützliche Vorlage für das Wachstum von Materialien mit verschiedenen, mit optischen Techniken kombinierten Eigenschaften. Bei InRedox produzieren und liefern wir Nanoschablonen aus anodischem Aluminiumoxid in verschiedenen Formaten und Spezifikationen für Forscher, die wissenschaftliche und technologische Möglichkeiten auf der Grundlage dieses Materials erforschen.