Summary

Anodizations רב השטח בו זמנית ולהתנתקות הטיות הפוכה כמו מדרגות של אנודי אלומיניום תחמוצות ב גופרתית, חומצה אוקסלית אלקטרוליט

Published: October 05, 2017
doi:

Summary

פרוטוקול עבור בדיית nanoporous אנודי אלומיניום תחמוצות ויה anodization משטחים מרובים בו זמנית ואחריו הטיות הפוכה כמו מדרגות detachments מוצג. ניתן להחיל אותה שוב ושוב אותו המצע אלומיניום, מפגין נתיישב, לתפוקה גבוהה של אסטרטגיה לסביבה נקייה.

Abstract

לאחר דיווח על anodization שני שלבים, nanoporous אנודי אלומיניום תחמוצות (AAOs) כבר נרחב מנוצל בתחומים מגוונים של יישומים תעשייתיים בשל הסידור שלהם תקופתי של nanopores עם מדעים יסודי גבוה יחסית יחס גובה-רוחב. עם זאת, הטכניקות שדווחו עד כה, אשר יכול להיות רק חוקי עבור מונו-פני anodization, להראות החסרונות הקריטיים, דהיינו, זמן רב, כמו גם מסובך נהלים, הדורשים כימיקלים רעילים, משאבים טבעיים יקרים . בנייר זה, נדגים שיטה נתיישב, יעיל, ו לסביבה נקייה כדי לפברק nanoporous AAOs אלקטרוליטים חומצה גופרתית, אוקסלית, אשר ניתן להתגבר על המגבלות הנובעות AAO קונבנציונאלי בדיית שיטות. ראשית, ברבים AAOs מיוצרים בבת אחת באמצעות משטחים מרובים בו זמנית anodization (SMSA), המציין mass-producibility של AAOs בעל תכונות דומות. שנית, AAOs האלה ניתן להפריד מן המצע אלומיניום (Al) על-ידי החלת הטיות הפוכה כמו מדרגות (SRBs) ב האלקטרוליט באותו המשמש את SMSAs, רומז מאפיינים טכנולוגיים פשטות וירוק. לבסוף, רצף יחידה המורכבת SMSAs ברצף בשילוב עם ניתוק מבוסס SRBs ניתן ליישם שוב ושוב המצע Al זהה, אשר מחזקת את היתרונות של אסטרטגיה זו מבטיחה גם את השימוש יעיל של משאבי הטבע.

Introduction

AAOs אשר נוצרו על ידי אלגון המצע Al באלקטרוליט חומצי, משכו עניין רב מגוונות יסוד במדע ובתעשייה, לדוגמה, קשה תבניות עבור צינורות/nanowires1,2,3 , 4 , 5, האנרגיה אחסון התקנים6,7,8,9, חישה ביו10,11, סינון יישומים12,13 , 14, מסיכות מתאדים ו/או תצריב15,16,17, ו לחות קיבולי חיישנים18,19,20,21 ,22, בשל מבנה חלת דבש עצמית המסודרת שלהן, יחס גבוה של nanopores ולאחר מעולה תכונות מכניות23. להחלת את nanoporous AAOs ליישומים שונים אלו, הם צריכים להיות בודד טפסים עם מאוד לטווח מערך nanopores מסודרות. בהקשר זה, אסטרטגיות להשגת AAOs חייב לשקול היווצרות (אלגון) והן ההפרדה הליכים (ניתוק).

מנקודת מבט של היווצרות AAO, anodization מתון (להלן כאל MA) היה וותיקה תחת אלקטרוליטים חומצי גופרתית אוקסלית, פוספט23,24,25,26 ,27. עם זאת, תואר שני תהליכים הציג נמוך-תשואות של ייצור AAO עקב שיעור הצמיחה האיטית שלהם תלוי בעוצמות נמוכות יחסית של מתח אנודי, אשר להתדרדר עוד יותר באמצעות תהליך בן שני שלבים MA לשיפור תקופתיות של nanopores28 ,29. לפיכך, קשה anodization (HA) טכניקות הוצעו כחלופות של תואר שני על ידי החלת המתחים אנודי גבוה יותר (אלקטרוליט חומצה אוקסלית גופרתית) או באמצעות מרוכז יותר אלקטרוליט (חומצה זרחתית)30,31, 32,33,34,35,36,37,38,39,40. חה תהליכים להראות שיפורים ברורים של שיעורי צמיחה, כמו גם הסדרי תקופתיים, והואיל וכתוצאה מכך AAOs הפך להיות יותר עדין, הצפיפות של nanopores היו מופחתים30. בנוסף, מערכת קירור יקרים נדרש יחלוף החימום של ג’ול הנגרמת על ידי צפיפות זרם גבוה31. תוצאות אלו להגביל את תחולת פוטנציאלי AAOs באמצעות תהליכים HA.

הפרדת AAO מפני השטח המתאים צלחת באל, תחריט כימי סלקטיבי של המצע Al הנותרים היה מנוצל נרחב ביותר בתהליכים אמא וגם HA משימוש בכימיקלים רעילים, כגון נחושת כלורי35,39 ,41,42 או כספית כלוריד16,17,43,44,45,46, 47 , 48 , 49. עם זאת, שיטה זו מעוררת תופעות לוואי חסרון, למשל, זמן תגובה ארוך יותר פרופורציונליים לעובי הנותרים באל, זיהום של AAO על ידי יונים של מתכות כבדות, שאריות מזיקות לסביבות הגוף האנושי/טבעי , ושימוש לא יעיל של משאבים בעלי ערך. לכן, נעשו ניסיונות רבים למימוש ניתוק ישיר AAO. למרות המתח cathodic-delamination-50,51 והן מתח אנודי דופק ניתוק7,41,42,52, 53,54,55 להציג ההצטיינות מלאכותית הנותרים המצע הניתנים לשימוש חוזר, הטכניקה לשעבר לוקח זמן כמעט דומות עם אלה שיטות צריבה כימית50. על אף האמור ההקטנה ברורה של זמן העיבוד, כימיקלים מזיקים, תגובתי, דוגמאות butanedione ו/או חומצה על-כלורית, שימשו ניתוק אלקטרוליטים, טכניקות האחרון55, שם ניקיון נוסף הליך נדרש בשל האלקטרוליט משתנה בין ההליך אילגון לפרופילי אלומיניום, התולש. במיוחד, התולש התנהגויות ואיכות AAOs מנותקת להשפיע קשות את העובי. במקרה AAO בעובי דק יחסית, האחד מנותקת עשוי להכיל סדקים ו/או פתחים.

כל הגישות ניסיוני המפורטים לעיל הוחלו על “יחיד-משטח” של הדגימה באל, למעט למטרות הגנה/הנדסת משטח, תכונה זו המגבלות קריטי המוצגים טכנולוגיות המקובלת של הזיוף AAO מבחינת התשואה, כמו גם processibility, אשר גם השפעות תחולת56,AAOs57פוטנציאליים.

כדי לספק את הביקושים בתחומים הקשורים AAO במונחים של תפוקה גבוהה, נתיישב, גישות טכנולוגיות ירוקות, דיווחנו בעבר על SMSA וניתוק ישיר דרך SRBs תחת גופרתית56 וחומצה אוקסלית57 אלקטרוליט, בהתאמה. זה עובדה ידועה כי ברבים AAOs יכול להיווצר על משטחים מרובים של המצע Al שקוע לתוך אלקטרוליטים חומצי. עם זאת, SRBs, הבחנה מפתח של השיטות שלנו, לאפשר בניתוק של AAOs האלה של משטחים מרובה המקביל של המצע Al באלקטרוליט חומצי באותו המשמש את SMSAs המציין ייצור המוני, פשטות, וירוק טכנולוגי המאפיינים. ברצוננו לציין כי ניתוק מבוסס-SRBs היא אסטרטגיית אופטימלית עבור AAOs ברבים מפוברק על ידי56,SMSAs57 , אפילו חוקי עבור דקים יחסית עוביים של AAOs57 בהשוואה delamination cathodic (כלומר, הטיה הפוכה קבוע) על יחיד-השטחf “> 51. לבסוף, רצף יחידה המורכבת SMSAs ברצף בשילוב עם ניתוק מבוסס SRBs ניתן ליישם שוב ושוב המצע Al אותו, הימנעות פרוצדורות מסובכות וכימיקלים רעילים/תגובתי, מה שמחזק את היתרונות של שלנו אסטרטגיות, מבטיח גם את השימוש יעיל של משאבים טבעיים.

Protocol

שימו לב כל עוד בנושא בטיחות נתונים הסדינים (MSDS) לפני תחילתו. למרות אופיו הידידותי לסביבה של פרוטוקול זה, מספר חומצות, המחמצנים משמשים את ההליכים המתאימים. כמו כן, השתמש כל את תקין ציוד מגן אישי (חלוק, כפפות, בטיחות משקפיים, וכו ‘). 1. הכנה של פתרון הערה: לאחר ה?…

Representative Results

תרשים זרימה של nth AAO בדיית רצף המורכב בעיקר שני שלבים SMSAs, SRBs-פלוגה, והתייחסו צריבה כימית הוצגה סכמטי איור 1a. כל שיבוץ להראות תמונת מיקרוסקופ אלקטרונים סריקה (SEM) של המורפולוגיה השטח המתאים כל הליך בודדות, תצלום שצולם מיד לאחר SRBs-ניתוק. איור סכמטי ל…

Discussion

בנייר זה, אנחנו הפגינו בהצלחה תשואה גבוהה, נתיישב, ושיטת לסביבה נקייה כדי לבדות nanoporous AAOs דרך SMSA ו SRBs-פלוגה, אשר יכול לחזור אל המצע Al באותו לשיפור משמעותי mass-producibility כמו כמו השימושיות של משאבים טבעיים מוגבלת. כפי שמוצג בתרשים זרימה של איור 1a, האסטרטגיה שמפברק שלנו AAO מבוסס על ano…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

המחברים אין לחשוף.

Materials

Sulfuric Acid >98% DUKSAN reagent 5950
Oxalic Acid Anhydrous, 99.5-100.2% KANTO chemical 31045-73
Phosphoric Acid, 85% SAMCHUN chemical P0463
Perchloric Acid, 60% SAMCHUN chemical P0181 Highly Reactive
Chromium(VI) Oxide Sigma Aldrich 232653 Strong Oxidizer
Ethanol, 95% SAMCHUN chemical E0219
Absolute Ethanol, 99.9% SAMCHUN chemical E1320
Double Jacket Beaker iNexus 27-00292-05
Low Temperature Bath Circulator JEIO TECH AAH57052K
Programmable DC Power Supply PNCYS EDP-3001 
Aluminum Plate, >99.99% Goodfellow
Platinum Cylinder Whatman 444685
Pure & Ultra Pure Water System (Deionized Water) Human Science Pwer II & HIQ II

Referências

  1. Hong, Y. K., et al. Tuning and enhancing photoluminescence of light-emitting polymer nanotubes through electron-beam irradiation. Adv. Funct. Mater. 19 (4), 567-572 (2009).
  2. Hong, Y. K., et al. Fine Characteristics Tailoring of Organic and Inorganic Nanowires Using Focused Electron-Beam Irradiation. Angew. Chem. Int. Ed. 50 (16), 3734-3738 (2011).
  3. Lee, J. H., et al. Iron-gold barcode nanowires. Angew. Chem. Int. Ed. 46 (20), 3663-3667 (2007).
  4. Qin, L., Banholzer, M. J., Millstone, J. E., Mirkin, C. A. Nanodisk codes. Nano Lett. 7 (12), 3849-3853 (2007).
  5. Park, D. H., Kim, M. S., Joo, J. Hybrid nanostructures using π-conjugated polymers and nanoscale metals: synthesis, characteristics, and optoelectronic applications. Chem. Soc. Rev. 39 (7), 2439-2452 (2010).
  6. Ahn, Y. K., et al. Enhanced electrochemical capabilities of lithium ion batteries by structurally ideal AAO separator. J. Mater. Chem. A. 3 (20), 10715-10719 (2015).
  7. Chen, J., Wang, S., Ding, L., Jiang, Y., Wang, H. Performance of through-hole anodic aluminum oxide membrane as a separator for lithium-ion battery. J. Membr. Sci. 461, 22-27 (2014).
  8. Gao, Y., et al. Three-dimensional nanotube electrode arrays for hierarchical tubular structured high-performance pseudocapacitors. Nanoscale. 8 (27), 13280-13287 (2016).
  9. Hu, J., et al. Dual-template ordered mesoporous carbon/Fe2O3 nanowires as lithium-ion battery anodes. Nanoscale. 8 (26), 12958-12969 (2016).
  10. Kim, K., et al. Externally controlled drug release using a gold nanorod contained composite membrane. Nanoscale. 8 (23), 11949-11955 (2016).
  11. Poplausks, R., et al. Electrochemically etched sharp aluminium probes with nanoporous aluminium oxide coatings: Demonstration of addressed DNA delivery. RSC Adv. 4 (89), 48480-48485 (2014).
  12. Chen, X., Qiu, M., Ding, H., Fu, K., Fan, Y. A reduced graphene oxide nanofiltration membrane intercalated by well-dispersed carbon nanotubes for drinking water purification. Nanoscale. 8 (10), 5696-5705 (2016).
  13. Dervin, S., Dionysiou, D. D., Pillai, S. C. 2D nanostructures for water purification: graphene and beyond. Nanoscale. 8 (33), 15115-15131 (2016).
  14. Han, K., Heng, L., Wen, L., Jiang, L. Biomimetic heterogeneous multiple ion channels: a honeycomb structure composite film generated by breath figures. Nanoscale. 8 (24), 12318-12323 (2016).
  15. Kim, J., Kim, Y. H., Choi, S. H., Lee, W. Curved Silicon Nanowires with Ribbon-like Cross Sections by Metal-Assisted Chemical Etching. ACS Nano. 5 (6), 5242-5248 (2011).
  16. Zeng, Z., et al. Fabrication of Graphene Nanomesh by Using an Anodic Aluminum Oxide Membrane as a Template. Adv. Mater. 24 (30), 4138-4142 (2012).
  17. Lim, N., et al. A tunable sub-100 nm silicon nanopore array with an AAO membrane mask: reducing unwanted surface etching by introducing a PMMA interlayer. Nanoscale. 7 (32), 13489-13494 (2015).
  18. Zhang, J., Liu, X., Neri, G., Pinna, N. Nanostructured Materials for Room-Temperature Gas Sensors. Adv. Mater. 28 (5), 795-831 (2016).
  19. Blank, T. A., Eksperiandova, L. P., Belikov, K. N. Recent trends of ceramic humidity sensors development: A review. Sens. Actuators B. 228, 416-442 (2016).
  20. Kim, Y., et al. Capacitive humidity sensor design based on anodic aluminum oxide. Sens. Actuators B. 141 (2), 441-446 (2009).
  21. Mahboob, M. R., Zargar, Z. H., Islam, T. A sensitive and highly linear capacitive thin film sensor for trace moisture measurement in gases. Sens. Actuators B. 228, 658-664 (2016).
  22. Sharma, K., Islam, S. S. Optimization of porous anodic alumina nanostructure for ultra high sensitive humidity sensor. Sens. Actuators B. 237, 443-451 (2016).
  23. Lee, W., Park , S. J. Porous Anodic Aluminum Oxide: Anodization and Templated Synthesis of Functional Nanostructures. Chem. Rev. 114 (15), 7487-7556 (2014).
  24. Keller, F., Hunter, M., Robinson, D. Structural features of oxide coatings on aluminum. J. Electrochem. Soc. 100 (9), 411-419 (1953).
  25. Diggle, J. W., Downie, T. C., Goulding, C. W. Anodic oxide films on aluminum. Chem. Rev. 69 (3), 365-405 (1969).
  26. O’Sullivan, J. P., Wood, G. C. The Morphology and Mechanism of Formation of Porous Anodic Films on Aluminium. Proc. R. Soc. London A. 317 (1531), 511-543 (1970).
  27. Thompson, G. E., Wood, G. C. Porous anodic film formation on aluminium. Nature. 290 (5803), 230-232 (1981).
  28. Masuda, H., Fukuda, K. Ordered Metal Nanohole Arrays Made by a Two-Step Replication of Honeycomb Structures of Anodic Alumina. Science. 268 (5216), 1466-1468 (1995).
  29. Masuda, H., Satoh, M. Fabrication of Gold Nanodot Array Using Anodic Porous Alumina as an Evaporation Mask. Jpn. J. Appl. Phys. 35 (1B), L126-L129 (1996).
  30. Chu, S. Z., Wada, K., Inoue, S., Isogai, M., Yasumori, A. Fabrication of Ideally Ordered Nanoporous Alumina Films and Integrated Alumina Nanotubule Arrays by High-Field Anodization. Adv. Mater. 17 (17), 2115-2119 (2005).
  31. Lee, W., Ji, R., Gösele, U., Nielsch, K. Fast fabrication of long-range ordered porous alumina membranes by hard anodization. Nature Mater. 5 (9), 741-747 (2006).
  32. Li, Y., Zheng, M., Ma, L., Shen, W. Fabrication of highly ordered nanoporous alumina films by stable high-field anodization. Nanotechnology. 17 (20), 5101-5105 (2006).
  33. Li, Y. B., Zheng, M. J., MA, L. High-speed growth and photoluminescence of porous anodic alumina films with controllable interpore distances over a large range. Appl. Phys. Lett. 91 (7), 073109 (2007).
  34. Lee, W., et al. Structural engineering of nanoporous anodic aluminium oxide by pulse anodization of aluminium. Nature Nanotech. 3 (4), 234-239 (2008).
  35. Li, Y., Ling, Z. Y., Chen, S. S., Wang, J. C. Fabrication of novel porous anodic alumina membranes by two-step hard anodization. Nanotechnology. 19 (22), 225604 (2008).
  36. Schwirn, K., et al. Self-Ordered Anodic Aluminum Oxide Formed by H2SO4 Hard Anodization. ACS Nano. 2 (2), 302-310 (2008).
  37. Yao, Z., Zheng, M., MA, L., Shen, W. The fabrication of ordered nanoporous metal films based on high field anodic alumina and their selected transmission enhancement. Nanotechnology. 19 (46), 465705 (2008).
  38. Lee, W., Kim, J. C., Cösele, U. Spontaneous Current Oscillations during Hard Anodization of Aluminum under Potentiostatic Conditions. Adv. Funct. Mater. 20 (1), 21-27 (2010).
  39. Yi, L., Zhiyuan, L., Shuoshuo, C., Xing, H., Xinhua , H. Novel AAO films and hollow nanostructures fabricated by ultra-high voltage hard anodization. Chem. Commun. 46 (2), 309-311 (2010).
  40. Kim, M., Ha, Y. C., Nguyen, T. N., Choi, H. Y., Kim, D. Extended self-ordering regime in hard anodization and its application to make asymmetric AAO membranes for large pitch-distance nanostructures. Nanotechnology. 24 (50), 505304 (2013).
  41. Chen, W., Wu, J. S., Yuan, J. H., Xia, X. H., Lin, X. H. An environment-friendly electrochemical detachment method for porous anodic alumina. J. Electroanal. Chem. 600 (2), 257-264 (2007).
  42. Gao, L., Wang, P., Wu, X., Yang, S., Song, X. A new method detaching porous anodic alumina films from aluminum substrates. J. Electroceram. 21 (1-4 SPEC), 791-794 (2008).
  43. Asoh, H., Nishio, K., Nakao, M., Tamamura, T., Masuda, H. Conditions for Fabrication of Ideally Ordered Anodic Porous Alumina Using Pretextured Al. J. Electrochem. Soc. 148 (4), B152-B156 (2001).
  44. Wu, M. T., Hon Leu, I. C., H, M. Effect of polishing pretreatment on the fabrication of ordered nanopore arrays on aluminum foils by anodization. J. Vac. Sci. Technol., B. 20 (3), 776-782 (2002).
  45. Asoh, H., Ono, S., Hirose, T., Nakao, M., Masuda, H. Growth of anodic porous alumina with square cells. Electrochim. Acta. 48 (20-22), 3171-3174 (2003).
  46. Masuda, H., et al. Ordered Mosaic Nanocomposites in Anodic Porous Alumina. Adv. Mater. 15 (2), 161-164 (2003).
  47. Chu, S. Z., et al. Large-Scale Fabrication of Ordered Nanoporous Alumina Films with Arbitrary Pore Intervals by Critical-Potential Anodization. J. Electrochem. Soc. 153 (9), B384-B391 (2006).
  48. Byun, J., Lee, J. I., Kwon, S., Jeon, G., Kim, J. K. Highly Ordered Nanoporous Alumina on Conducting Substrates with Adhesion Enhanced by Surface Modification: Universal Templates for Ultrahigh-Density Arrays of Nanorods. Adv. Mater. 22 (18), 2028-2032 (2010).
  49. Gong, J., Butler, W. H., Zangari, G. Tailoring morphology in free-standing anodic aluminium oxide: Control of barrier layer opening down to the sub-10 nm diameter. Nanoscale. 2 (5), 778-785 (2010).
  50. Schneider, J. J., Engstler, J., Budna, K. P., Teichert, C., Franzka, S. Freestanding, highly flexible, large area, nanoporous alumina membranes with complete through-hole pore morphology. Eur. J. Inorg. Chem. 2005 (12), 2352-2359 (2005).
  51. Choudhary, E., Szalai, V. Two-step cycle for producing multiple anodic aluminum oxide (AAO) films with increasing long-range order. RSC Adv. 6 (72), 67992-67996 (2016).
  52. Yuan, J. H., He, F. Y., Sun, D. C., Xia, X. H. A Simple Method for Preparation of Through-Hole Porous Anodic Alumina Membrane. Chem. Mater. 16 (10), 1841-1844 (2004).
  53. Yuan, J. H., Chen, W., Hui, R. J., Hu, Y. L., Xia, X. H. Mechanism of one-step voltage pulse detachment of porous anodic alumina membranes. Electrochim. Acta. 51 (22), 4589-4595 (2006).
  54. Zhao, S., Chan, K., Yelon, A., Veres, T. Preparation of open-through anodized aluminium oxide films with a clean method. Nanotechnology. 18 (24), 245304 (2007).
  55. Brudzisz, A., Brzózka, A., Sulka, G. D. Effect of processing parameters on pore opening and mechanism of voltage pulse detachment of nanoporous anodic alumina. Electrochim. Acta. 178, 374-384 (2015).
  56. Hong, Y. K., Kim, B. H., Kim, D. I., Park, D. H., Joo, J. High-yield and environment-minded fabrication of nanoporous anodic aluminum oxide templates. RSC Adv. 5 (34), 26872-26877 (2015).
  57. Jeong, S. H., et al. Massive, eco-friendly, and facile fabrication of multi-functional anodic aluminum oxides: application to nanoporous templates and sensing platforms. RSC Adv. 7 (8), 4518-4530 (2017).
  58. Houser, J. E., Hebert, K. R. The role of viscous flow of oxide in the growth of self-ordered porous anodic alumina films. Nature Mater. 8 (5), 415-420 (2009).
  59. Jessensky, O., Müller, F., Gösele, U. Self-organized formation of hexagonal pore arrays in anodic alumina. Appl. Phys. Lett. 72 (10), 1173-1175 (1998).
  60. Li, F., Zhang, L., Metzger, R. M. On the Growth of Highly Ordered Pores in Anodized Aluminum Oxide. Chem. Mater. 10 (9), 2470-2480 (1998).
  61. Li, A. P., Müller, F., Bimer, A., Nielsch, K., Gösele, U. Hexagonal pore arrays with a 50-420 nm interpore distance formed by self-organization in anodic alumina. J. Appl. Phys. 84 (11), 6023-6026 (1998).
  62. Nielsch, K., Choi, J., Schwirn, K., Wehrspohn, R. B., Gösele, U. Self-ordering Regimes of Porous Alumina: The 10% Porosity Rule. Nano Lett. 2 (7), 677-680 (2002).
  63. Yanagishita, T., Masuda, H. High-Throughput Fabrication Process for Highly Ordered Through-Hole Porous Alumina Membranes Using Two-Layer Anodization. Electrochim. Acta. 184, 80-85 (2015).

Play Video

Citar este artigo
Im, H., Jeong, S. H., Park, D. H., Kim, S., Hong, Y. K. Simultaneous Multi-surface Anodizations and Stair-like Reverse Biases Detachment of Anodic Aluminum Oxides in Sulfuric and Oxalic Acid Electrolyte. J. Vis. Exp. (128), e56432, doi:10.3791/56432 (2017).

View Video