Anodický oxid hlinitý

Anodický oxid hlinitý označuje hliníkový povrch upravený elektrochemickým eloxovaním, čím sa získava výnimočne trvanlivá a korózii odolná povrchová úprava, ktorá sa nikdy neštiepi, nelúpe ani neodlupuje - je trikrát tvrdšia ako štandardný hliník a 60% ľahšia!

Tento článok sa zaoberá základmi a využitím porézneho anodického oxidu hlinitého vrátane jeho využitia ako šablóny na pestovanie nanodrôtov a nanorúrok na výrobu metamateriálov s jedinečnými vlastnosťami.

Charakteristika

Anodický porézny oxid hlinitý (NPA), označovaný aj ako nanopórovitý anodizovaný oxid hlinitý (NAA), je zaujímavý materiál s rôznymi aplikáciami vďaka svojim usporiadaným a hustým poréznym štruktúram s pórmi s priemerom v rozsahu nanometrov. Tieto póry vytvorili nové možnosti v oblastiach, ako je štrukturálne farbenie a fotonika, a zároveň slúžia ako šablóny na vytváranie materiálov, ako sú nanodrôty alebo nanorúrky, na vývoj metamateriálov s prispôsobenými vlastnosťami.

Pokračuje výskum presných mechanizmov, ktorými sa tieto štruktúry vytvárajú, pričom osobitný záujem sa sústreďuje na anodický oxid hlinitý. Zahŕňa chemické aj elektrochemické reakcie, pričom prvá z nich zahŕňa priame vstrekovanie iónov hliníka priamo do roztoku elektrolytu, zatiaľ čo jej elektrický náprotivok prebieha v trhlinách vo vrstve jeho oxidu; zloženie roztoku elektrolytu a použitý anodizačný potenciál sú kľúčovými faktormi, pokiaľ ide o veľkosť trhlín.

Po vytvorení trhlín môžu hliníkové ióny vyvrhnuté do elektrolytu navzájom interagovať a vytvárať samoorganizované porézne štruktúry, ktoré závisia od anodizačného potenciálu a typu elektrolytu; ich veľkosť a tvar závisia od faktorov, ako je anodizačný potenciál, ako aj prítomnosť/neprítomnosť bariérových vrstiev.

Ako je znázornené nižšie, pri prechode vysokého elektrického náboja cez anodizovaný substrát sa jeho póry rozšíria, pričom sa zmenší ich vzdialenosť medzi pórmi, čo vedie k vytvoreniu šesťuholníkových polí pórov, ako je vidieť tu; hoci podobné polia môžu mať aj iné tvary, napríklad obdĺžnikové alebo štvorcové štruktúry.

Morfológia polí pórov závisí od ich počiatočného usporiadania v podobe vopred vytvorených konkávnych jamiek na povrchu anodického oxidu hlinitého a od ich vzájomných vzdialeností medzi pórmi. Ak sa použijú grafitové mriežkové vzory s 300 nm vzdialenosťami medzi pórmi, steny oxidu sa vyvinú do trojuholníkového tvaru, zatiaľ čo voštinové mriežkové vzory s 500 nm vzdialenosťami medzi pórmi poskytujú póry v tvare diamantu; v konečnom dôsledku tento tvar ovplyvňuje priepustnosť svetla a rozptylové vlastnosti povrchu anodického oxidu hlinitého.

Aplikácie

Od práce Masudu a Moskovitsa sa porézny anodický oxid hlinitý (AAO) stal atraktívnou platformou pre nanofabrikáciu na výskum v mnohých oblastiach. Nanotempláty AAO sa využívajú pri výrobe materiálov so špecifickými vlastnosťami v oblasti magnetizmu, termoelektrických a termoelektrických vlastností s redukovanými rozmermi; AAO možno ľahko modifikovať na výrobu rôznych morfológií, ako sú vetvené štruktúry, modulované alebo trojrozmerné nanopórovité štruktúry.

Morfologické vlastnosti AAO sú podmienené bariérovou vrstvou a anodickým potenciálom. Bariérová vrstva ovplyvňuje to, ako rýchlo hliník uvoľňuje svoje ióny do roztoku, zatiaľ čo anodický potenciál ovplyvňuje, ako rýchlo rastú póry - ich veľkosť závisí od použitého anodického potenciálu, teploty, zloženia elektrolytu a experimentálnych podmienok.

Vo všeobecnosti platí, že čím väčšie a bližšie k sebe sú priemery pórov a vzdialenosti medzi pórmi, tým rýchlejšie sa vytvorí anodický oxid. Treba však vziať do úvahy aj to, že ich veľkosť môže závisieť aj od takých faktorov, ako je chemizmus povrchu, ktorý možno kontrolovať chemickým leptaním alebo použitím anodických prekurzorov.

Ďalej je potrebné zdôrazniť, že usporiadanie pórov nie je podmienené len tvarom vtlačenej jamky, ale je ovplyvnené aj počiatočným konkávnym usporiadaním jamiek na substráte. Napríklad pri použití FIB vzorov konkáv s 300 nm vzdialenosťou medzi pórmi na Al substráte vznikajú po anodizácii trojuholníkové a obdĺžnikové steny oxidu (obr. 14a - 14c).

Na rozhraní oxid/elektrolyt zohrávajú pri tvorbe AAO zásadnú úlohu oxaláty. V kombinácii s iónmi Al3+, ktoré sa počas podmienok MA vypudzujú z pórov, tieto oxalátové ióny s nimi reagujú za vzniku molekúl vody, ktoré znižujú odolnosť bariérových vrstiev a uľahčujú ďalší rast štruktúr pórovej matrice. Naopak, za podmienok HA dochádza k tvorbe neporézneho oxidu hlinitého s vyšším odporom v bariérovej vrstve v dôsledku napätia spôsobeného objemovou expanziou na rozhraní kov/oxid.

Príprava

Výroba porézneho oxidu hlinitého si vyžaduje anodizáciu hliníka v kyslých elektrolytoch. Tento proces zahŕňa migráciu iónov kyslíka z roztoku na povrch kovu a vytvorenie bariérovej vrstvy oxidu izolantu, ktorá má vysoký elektrický odpor; môže cez ňu prechádzať len malý prúd a zároveň pôsobí ako izolant a zastavuje ďalšie odparovanie z povrchu.

Teplota, zloženie elektrolytu a aplikovaný potenciál počas anodizácie zohrávajú neoddeliteľnú úlohu pri vytváraní rôznych veľkostí pórov; ich štrukturálnymi parametrami sú priemer a vzdialenosť medzi pórmi. Vytvorenie rovnomernejšej štruktúry pórov môže zabezpečiť pulzná anodizácia.

Pri tejto technike sa anodizácia po určitom čase preruší a znovu sa spustí pri vyššom potenciáli, čím sa predĺži čas anodizácie a vytvoria sa hrubšie a poréznejšie vrstvy oxidu hlinitého.

Pulzná anodizácia sa môže použiť aj na výrobu rozvetvených alebo modulovaných pórov zmenou anodizačných podmienok medzi MA a HA v špecifických sekvenciách a zmenou trvania impulzov, čím sa vytvoria póry s viacerými priemermi a vysokým stupňom usporiadania.

Úprava pH anodizačných roztokov umožňuje používateľom meniť distribúciu veľkosti pórov. Dosiahnuť to je možné zvýšením alebo znížením koncentrácie oxalátových druhov v elektrolyte; naopak, pre menšie póry by malo byť v roztoku elektrolytu prítomných menej druhov.

Ďalším krokom k zmene štruktúry pórov je proces selektívneho leptania. Ten sa môže vykonať po anodizácii v roztoku obsahujúcom kyselinu fosforečnú a jeho výsledkom je 3D porézna membrána z oxidu hlinitého s dobre usporiadanými pórmi, aj keď sa počas anodizácie použili podmienky MA; táto metóda je preto vhodná najmä pre aplikácie využívajúce sodíkové pouličné lampy ako zásobníky plynu.

Vlastnosti

Porézny anodický oxid hlinitý si v posledných desaťročiach získal veľký záujem výskumníkov vďaka svojim pozoruhodným fyzikálnym, chemickým a optickým vlastnostiam. Obzvlášť pôsobivé sú štruktúry pozostávajúce z nanometrových prvkov tohto anodického materiálu na navrhovanie optických zariadení, ako sú fotonické kryštály alebo lasery.

Tvorba komplexných morfológií je podmienená elektrochemickými reakciami prebiehajúcimi na rozhraní kov/elektrolyt a na rozhraní oxid/elektrolyt, kde elektrické pole generované cez bariérovú vrstvu spôsobuje rozpúšťanie oxidu, uvoľňovanie iónov Al3+, objemovú expanziu na rozhraní kov/oxid, vznik napätia v dôsledku objemovej expanzie na tomto rozhraní a objemové napätie na rozhraní kov/oxid v závislosti od anodizačného potenciálu, teploty, zloženia kyseliny a experimentálnych podmienok.

Pulzná anodizácia je jednou z najefektívnejších techník na vytváranie vysoko kontrolovanej morfológie pórov, ktorá umožňuje anodizátorom upravovať priemer pórov a vzdialenosť medzi pórmi zmenou nastavenia napätia; okrem toho je možné upravovať štrukturálne parametre vytvorených membrán zmenou nastavenia potenciálu a času pre každý anodizátor, čo v prípade potreby vedie k vytvoreniu Morieho vzorov alebo schodiskových štruktúr.

Anodický oxid hlinitý ponúka ďalšiu výhodu pri vývoji funkčných materiálov: schopnosť kontrolovať povrchovú chémiu. Chemickým leptaním alebo elektrochemickým nanesením sa na jeho povrchu môžu vytvoriť ochranné vrstvy; okrem toho sa tepelným spracovaním alebo nanoškrabaním môže zmeniť jeho morfológia alebo sa na ňom môžu vytvoriť ochranné vrstvy.

Anodický oxid hlinitý predstavuje atraktívnu platformu na vytváranie materiálov s redukovanou dimenziou v magnetizme, termoelektrike a iných oblastiach, ako sú optické techniky. Okrem toho je vďaka svojej univerzálnosti užitočnou šablónou na rast materiálov s rôznymi kombinovanými vlastnosťami optických techník. V spoločnosti InRedox vyrábame a poskytujeme nanošablóny anodického oxidu hlinitého v rôznych formátoch a špecifikáciách výskumníkom, ktorí skúmajú vedecké a technologické možnosti založené na tomto materiáli; takéto šablóny sa môžu použiť na skúmanie rôznych aplikácií vrátane svetlovodov a fotonických kryštálov.