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Engenharia

同時マルチ表面 Anodizations、階段のような逆バイアスで硫酸陽極酸化アルミニウムとシュウ酸電解質の剥離

Published: October 05, 2017
doi:
10.3791/56432
, , , ,
1School of Advanced Materials Science and Engineering,Sungkyunkwan University, 2Department of Applied Organic Materials Engineering,Inha University

Summary

階段のような逆バイアス分遣隊に続いて同時マルチ表面陽極酸化による酸化アルミニウム陽極多孔性を製造するためのプロトコルが表示されます。それは、安易な展示、同じアルミ基板、高収率、環境クリーン作戦に繰り返し適用できます。

Abstract

ナノ多孔質陽極酸化アルミニウム (AAOs)、2 段階の陽極酸化を報告後基礎科学とその応用と細孔での定期的な配置のための多彩なフィールドで広く利用されている比較的高いアスペクト比です。しかし、技術がこれまでに報告がモノラル表面の陽極酸化に対して有効であるだけ、ショーの重大な欠点、すなわち、時間のかかる、複雑な手続、有毒化学物質を必要とする、貴重な天然資源を無駄に.本稿で我々 は従来 AAO 製造方法に起因する限界を克服することができます、硫酸、シュウ酸の酸電解で多孔質 AAOs を作製する安易な効率的、かつ環境にクリーンなメソッドを示します。まず、複数 AAOs は、匹敵する性質を持つ AAOs の導を示す同時マルチ表面の陽極酸化 (SMSA) で 1 回で生産されています。第二に、それら AAOs は、シンプルさと緑の技術特性を示唆、療用同じ電解液中のプロセス階段のような逆バイアス (SRBs) を適用することによってアルミニウム (Al) 基板から分離することができます。最後に、この戦略の利点を強化し、天然資源の効率的な使用が保証も同じ Al 基板表面に繰り返し、順番に SRBs ベース剥離併用療から成る単位シーケンスを適用できます。

Introduction

酸性電解質の Al 基板表面を陽極酸化により形成した AAOs は多様な基礎科学と産業、ナノチューブ ・ ナノワイヤー1,2,3ハード テンプレートなどに大きな関心を集めています。,4,5、エネルギー ストレージ デバイス6,7,8,9, バイオセンシング10,11, フィルタ リング アプリケーション12,13,14、蒸発および/または15,16,17、および静電容量式湿度センサー18,19,20,21 をエッチング マスク ,22、その自己のハニカム構造により、細孔と優れた機械的性質23の高アスペクト比。ナノポーラス AAOs をこれらの様々 なアプリケーションに適用するための独立したフォームをする必要があります彼らは高いと細孔の長距離の順序付き配列。この点で、AAOs の取得について考慮する必要がある形成 (陽極酸化処理) と分離の両方 (デタッチ) プロシージャ。

AAO 形成の視点で (以下 MA) 穏やかな陽極酸化は硫酸、シュウ酸、リン酸酸性電解質23,24,25,26 の下でよく設立されました ,27。しかし、MA プロセス展示28 ナノ細孔の周期性を改善するため MA 段階を通じて悪化さらに陽極電圧の比較的低強度に応じて、遅い成長率による AAO 製造の低利回り ,29。したがって、陽極 (HA) 技術は高い陽極電圧 (シュウ酸/硫酸酸性電解質) を適用するかより集中している電解液 (リン酸)30,31を使用して、MA の代替として提案しました。 32,33,34,35,36,37,38,,3940。ハ プロセス拡張設定の表示異なる周期の手配と同様に、成長率の結果に対し AAOs は細孔の密度が減少30なりより壊れやすかった。さらに、高価な冷却システムは、高電流密度31によるジュール発熱を分散させるため必要です。これらの結果は、HA プロセスを介して AAOs の潜在的な適用を制限します。

Al 板の対応する表面から AAO を分離のため残りの Al 基板表面の選択的化学エッチングは塩化銅35,39 などの有毒化学物質を使用してママと HA の両方のプロセスで最も広く利用されました。 ,41,42または水銀塩化16,17,43,44,45,46,47,48,49しますただし、このメソッドが不利な副作用、例えば、アル、重金属イオンにより AAO の人間体/自然環境に有害な残留汚染の残りの厚さに比例して長い反応時間を誘導する。、と貴重な資源の非効率的な使用。したがって、AAO の直接剥離を実現するため多くの試みがなされました。カソード電圧層間はく離50,51と陽極電圧パルス、527,41,42,剥離が 53,,5455残り Al 基板を再利用することができます、元の技術と化学エッチング法50ほぼ匹敵する時間がかかるメリットを提示します。処理時間の明確な減少にもかかわらず有害と反応性の高い化学物質例 butanedione および/または過塩素酸として使用された追加の清掃、後者テクニック55, 電解質をデタッチ陽極酸化処理とデタッチ プロシージャ間変化する電解質のための手順が必要です。特に、脱着挙動と戸建 AAOs の品質厚さに影響深刻な。比較的薄い厚さで AAO の場合亀裂や開口部、戸建の 1 つが含まれます。

上記すべての実験的アプローチは、表面の保護/工学目的、AAO 作製の従来の技術展示の重要な制限のこの機能を除く、Al 試料の「単一表面」に適用されています。収量と同様の加工性、という点で、また AAOs56,57の潜在的な適用を影響します。

安易な高収率と緑の技術アプローチの面で AAO 関連分野における需要の増加を満たすためには、我々 は以前者 SMSA で硫酸56とシュウ酸57酸 SRBs から直接剥離報告電解質、それぞれ。酸性の電解液に浸漬する Al 基板表面の複数のサーフェスに複数 AAOs を形作ることができるよく知られている事実です。ただし、Srb、我々 の方法の重要な違いは、それら AAOs 療量産、シンプルさ、および緑の技術を示すために使用、同じ酸性電解質の Al 基板表面の対応するマルチ表面からの剥離を有効に特性。SRBs ベースの剥離は複数 AAOs 療56,57 AAOs57と比較して比較的薄い厚さでも有効な作製に最適な方法であることを指摘したいと思います単一表面の陰極はく離 (すなわち、一定の逆バイアス)f”> 51。最後に、順番に SRBs ベース剥離併用療から成る単位シーケンスは複雑な手続きとの利点を強化毒性/反応性化学物質を避け、同じの Al 基板表面に繰り返し適用できる当社戦略とも天然資源の効率的な使用を保証します。

Protocol

にすべて関連材料安全性データ シート (MSDS) 開始する前にご注意ください。このプロトコルの環境に優しい自然、にもかかわらずいくつかの酸と酸化剤は、対応するプロシージャで使用されます。また、すべて、適切な個人用保護具 (白衣、手袋、安全メガネ等) を使用します。 1 ですソリューション準備 注: ソリューションを含む容器の完全…

Representative Results

Nのフロー チャートth AAO 二段療、Srb 剥離、主にで構成されるシーケンスを製造および関連の化学エッチングは、図 1 aに概略提示されました。各挿入は、それぞれの個々 のプロシージャおよび SRBs 剥離直後に撮影された写真に対応する表面の走査型電子顕微鏡 (SEM) 画像を表示します。後単位シーケンスの合計 5回繰り返し…

Discussion

本稿で我々 は正常に安易な高収率とクリーンを作製する方法ナノポーラス AAOs 者 SMSA と Srb の剥離、同じ Al 基板として導を大幅に強化するために繰り返すことが実証同様の限られた天然資源の使いやすさ。図 1 aのフロー図に示すとおり、AAO 加工戦略はマルチ表面状況に変更された従来の二段階の陽極酸化に基づいています。個々 のプロシージャ機能の他の面も独立し…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

著者が明らかに何もありません。

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
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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).

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Anodic Aluminum OxideAAOSimultaneous Multi-surface AnodizationStair-like Reverse BiasesDetachmentSulfuric AcidOxalic AcidElectropolishingAluminum SubstratePerchloric Acid

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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).
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