Anodinen alumiinioksidi

Anodisella alumiinioksidilla tarkoitetaan alumiinipintaa, joka on käsitelty sähkökemiallisella anodisoinnilla, joka tuottaa poikkeuksellisen kestävän ja korroosionkestävän pinnan, joka ei koskaan lohkeile, kuoriudu tai hilseile - kolme kertaa kovempi kuin tavallinen alumiini ja 60% kevyempi!

Tässä artikkelissa syvennytään huokoisen anodisen alumiinioksidin perusteisiin ja käyttötarkoituksiin, mukaan lukien nanolankojen ja nanoputkien kasvattaminen metamateriaalien tuottamiseksi, joilla on ainutlaatuisia ominaisuuksia.

Ominaisuudet

Anodinen huokoinen alumiinioksidi (NPA), jota kutsutaan myös nanohuokoiseksi anodisoiduksi alumiinioksidiksi (NAA), on kiehtova materiaali, jolla on erilaisia sovelluksia, koska sen järjestetyt ja tiheät huokoiset rakenteet ovat halkaisijaltaan nanometrin huokosia. Nämä huokoset ovat luoneet uusia mahdollisuuksia esimerkiksi rakennevärjäyksen ja fotoniikan aloilla ja toimivat samalla malleina sellaisten materiaalien kuten nanolankojen tai nanoputkien luomiseksi, joiden avulla voidaan kehittää metamateriaaleja, joilla on räätälöityjä ominaisuuksia.

Tutkimus näiden rakenteiden muodostumisen täsmällisistä mekanismeista jatkuu, ja erityinen mielenkiinto kohdistuu anodiseen alumiinioksidiin. Siihen liittyy sekä kemiallisia että sähkökemiallisia reaktioita, joista ensin mainittu sisältää alumiini-ionien suoran injektion suoraan elektrolyyttiliuokseen, kun taas sen sähköinen vastine tapahtuu oksidikerroksen halkeamissa; elektrolyyttiliuoksen koostumus ja käytetty anodisointipotentiaali ovat avaintekijöitä halkeamien koon kannalta.

Kun halkeamia on muodostunut, elektrolyyttiin sinkoutuneet alumiiniionit voivat vuorovaikuttaa keskenään luoden itseorganisoituneita huokoisia rakenteita, jotka riippuvat anodisointipotentiaalista ja elektrolyyttityypistä; niiden koko ja muoto riippuvat tekijöistä, kuten anodisointipotentiaalista sekä sulkukerrosten läsnäolosta/poissaolosta.

Kuten alla on esitetty, kun suuret sähkövaraukset kulkevat anodisoidun substraatin läpi, sen huokoset laajenevat samalla kun niiden huokosten välinen etäisyys pienenee, mikä johtaa kuusikulmaisiin huokosrivistöihin, kuten tässä on esitetty; vaikka samanlaiset rivit voisivat olla muunkin muotoisia, kuten suorakulmaisia tai neliön muotoisia.

Huokosrivistöjen morfologia riippuu niiden alkuperäisestä sijoittelusta anodisen alumiinioksidin pinnalla oleviksi koveriksi kuopiksi ja niiden huokosten välisestä etäisyydestä. Jos käytetään grafiittiristikkokuvioita, joiden huokosten välimatka on 300 nm, oksidiseinät kehittyvät kolmiomaisiksi, kun taas hunajakennomaiset ristikkokuviot, joiden huokosten välimatka on 500 nm, tuottavat timantinmuotoisia huokosia; viime kädessä tämä muoto vaikuttaa valonläpäisevyyteen ja anodisen alumiinioksidin pintojen sirontaominaisuuksiin.

Sovellukset

Masudan ja Moskovitsin työn jälkeen huokoisesta anodisesta alumiinioksidista (AAO) on tullut houkutteleva nanovalmistusalusta monien alojen tutkimukseen. AAO-nanomalleja on hyödynnetty sellaisten materiaalien valmistuksessa, joilla on erityisiä ominaisuuksia magnetismissa, lämpösähköisyydessä ja lämpöelektrisyydessä pienemmillä dimensioilla; AAO:ta voidaan helposti muokata tuottamaan erilaisia morfologioita, kuten haarautuvia rakenteita, moduloituja tai kolmiulotteisia nanohuokoisia rakenteita.

AAO:iden morfologiset ominaisuudet määräytyvät sekä estokerroksen että anodisen potentiaalin mukaan. Estokerros vaikuttaa siihen, kuinka nopeasti alumiini luovuttaa ioninsa liuokseen, kun taas anodinen potentiaali vaikuttaa siihen, kuinka nopeasti huokoset kasvavat - niiden koko riippuu sovelletusta anodisesta potentiaalista, lämpötilasta, elektrolyyttikoostumuksesta ja koeolosuhteista.

Mitä suuremmat ja lähempänä toisiaan huokosten halkaisijat ja huokosten väliset etäisyydet ovat, sitä nopeammin muodostuu anodista oksidia. On kuitenkin otettava huomioon, että niiden koko voi riippua myös tekijöistä, kuten pintakemiasta, jota voidaan hallita kemiallisella syövytyksellä tai anodisten esiasteiden käytöllä.

Lisäksi on korostettava, että huokosten sijoittelu ei määräydy ainoastaan syvennyksen muodon mukaan, vaan siihen vaikuttavat myös alustan alkuperäiset, ennalta kuvioidut koverat kuoppajärjestelyt. Esimerkiksi käytettäessä FIB-kuvioita koverista kuopista, joiden huokosten välimatka on 300 nm Al-alustalla, anodisoinnin jälkeen syntyy kolmion ja suorakulmion muotoisia oksidiseiniä (kuvat 14a-14c).

Oksidin ja elektrolyytin rajapinnassa oksalaattilajeilla on olennainen rooli AAO:n muodostumisessa. Kun nämä oksalaatti-ionit yhdistyvät huokosista MA-olosuhteissa poistuvien Al3+ -ionien kanssa, ne reagoivat niiden kanssa muodostaen vesimolekyylejä, jotka vähentävät sulkukerrosten kestävyyttä ja helpottavat huokosmatriisirakenteiden kasvua edelleen. Sitä vastoin HA-olosuhteissa ei-huokoisen alumiinioksidin muodostuminen johtaa korkeampaan sulkukerroksen kestävyyteen, joka johtuu metallin ja oksidin rajapinnan tilavuuden laajenemisen aiheuttamasta jännityksestä.

Valmistelu

Huokoisen alumiinioksidin valmistus edellyttää alumiinin anodisointia happamissa elektrolyyteissä. Tässä prosessissa happi-ionit siirtyvät liuoksesta metallipinnoille ja luovat eristävän oksidisulkukerroksen, jonka suuri sähkövastus aiheuttaa sen, että sen läpi kulkee vain pieni virta ja joka samalla toimii eristävänä ja estää pinnan haihtumisen.

Lämpötila, elektrolyyttikoostumus ja anodisoinnin aikana käytetty potentiaali vaikuttavat olennaisesti huokoskokojen vaihteluun; niiden rakenteelliset parametrit ovat halkaisija ja huokosten välinen etäisyys. Tasaisemman huokosrakenteen luomiseksi pulssianodisointi voi tarjota.

Tässä tekniikassa anodisointi keskeytetään tietyn ajan kuluttua ja aloitetaan uudelleen korkeammalla potentiaalilla, jolloin anodisointiaika pitenee ja syntyy paksumpia ja huokoisempia alumiinioksidikalvoja.

Pulssianodisointia voidaan käyttää myös haaroittuneiden tai moduloitujen huokosten tuottamiseen muuttamalla anodisointiolosuhteita MA:n ja HA:n välillä tietyissä sekvensseissä ja muuttamalla pulssin kestoa, jolloin saadaan huokosia, joilla on useita halkaisijoita ja korkea järjestysaste.

Anodisointiliuosten pH:n muuttaminen mahdollistaa huokoskokojakauman muuttamisen. Tämä on mahdollista lisäämällä tai vähentämällä oksalaattilajien pitoisuutta elektrolyytissä; päinvastoin, jotta huokoset olisivat pienempiä, elektrolyyttiliuoksessa pitäisi olla vähemmän lajeja.

Toinen vaihe huokosrakenteiden muuttamiseksi on valikoiva syövytysprosessi. Tämä voidaan suorittaa anodisoinnin jälkeen fosforihappoa sisältävässä liuoksessa, ja sen tuloksena saadaan 3D-huokoinen alumiinioksidikalvo, jossa on hyvin järjestäytyneet huokoset, vaikka anodisoinnin aikana käytettiin MA-olosuhteita; tämä menetelmä soveltuu erityisen hyvin sovelluksiin, joissa käytetään kaasusäiliöinä natriumhöyryn katuvaloja.

Ominaisuudet

Huokoinen anodinen alumiinioksidi on viime vuosikymmeninä herättänyt paljon kiinnostusta tutkimuksessa sen merkittävien fysikaalisten, kemiallisten ja optisten ominaisuuksien vuoksi. Erityisen vaikuttavia ovat rakenteet, jotka koostuvat tämän anodisen materiaalin nanometrin mittakaavan piirteistä ja joiden avulla voidaan suunnitella optisia laitteita, kuten fotonikiteitä tai lasereita.

Monimutkaisten morfologioiden muodostuminen määräytyy sekä metallin ja elektrolyytin rajapinnassa että oksidin ja elektrolyytin rajapinnassa tapahtuvien sähkökemiallisten reaktioiden perusteella, joissa estekerroksen yli syntyvä sähkökenttä aiheuttaa oksidin liukenemisen, Al3+ -ionien vapautumisen, tilavuuden laajenemisen metallin ja oksidin rajapinnalla, tilavuuden laajenemisen aiheuttaman jännityksen syntymisen tällä rajapinnalla ja tilavuuden jännityksen metallin ja oksidin rajapinnalla anodisointipotentiaalista, lämpötilasta, hapon koostumuksesta ja kokeellisista olosuhteista riippuen.

Pulssianodisointi on yksi tehokkaimmista tekniikoista erittäin hallitun huokosmorfologian luomiseksi, sillä sen avulla anodisaattorit voivat säätää huokosten halkaisijaa ja huokosten välistä etäisyyttä muuttamalla jänniteasetuksia; lisäksi muodostettujen kalvojen rakenneparametreja voidaan säätää muuttamalla kunkin anodisaattorin potentiaali- ja aika-asetuksia, mikä johtaa haluttaessa Morie-kuvioihin tai porrasmaisiin rakenteisiin.

Anodisella alumiinioksidilla on toinenkin etu funktionaalisten materiaalien kehittämisessä: sen kyky hallita pintakemiaa. Kemiallisella syövytyksellä tai sähkökemiallisella laskeutumisella sen pinnalle voidaan luoda suojapinnoitteita; lisäksi lämpökäsittely tai nanokarkaisu voi muuttaa sen morfologiaa tai luoda siihen suojakerroksia.

Anodinen alumiinioksidi tarjoaa houkuttelevan alustan, jonka avulla voidaan luoda pienemmän ulottuvuuden materiaaleja magnetismin, lämpösähköisyyden ja muiden alojen, kuten optisten tekniikoiden, alalla. Lisäksi sen monipuolisuus tekee siitä hyödyllisen mallin sellaisten materiaalien kasvattamiseen, joilla on erilaisia optisia tekniikoita yhdistäviä ominaisuuksia. InRedoxissa tuotamme ja tarjoamme anodisen alumiinioksidin nanomalleja eri muodoissa ja eritelmissä tutkijoille, jotka tutkivat tähän materiaaliin perustuvia tiede- ja teknologiamahdollisuuksia; tällaisia malleja voidaan käyttää erilaisten sovellusten, kuten valonohjainten ja fotonikiteiden, tutkimiseen.