文档介绍：读书笔记
——张敏
纳米多孔氧化铝膜的制备
纳米结构材料具有独特的物理、化学、电磁、机械学和光谱学等性能,在诸多领域获了广泛应用。当今纳米结构材料组装成为纳米结构材料的研究热点之一,而结构独特的多孔阳极氧化铝(AAO)作为组装纳米结构材料的模板有许多优点,已成了纳米材料研究的关注热点之一。近年来,多孔阳极氧化铝膜因具有特殊的耐高温性、优良的绝缘性、孔洞分布均匀有序等优点,其应用已扩展到磁性器件、光学器件、光电子器件及分离膜等领域。纳米AAO膜组织结构特征的研究备受关注。
具有规则纳米孔洞阵列的阳极氧化铝(A-nodicAluminaMembrane,简称AAM),由于其独特的几何结构和纳米级的孔洞尺寸,近年来在纳米材料及纳米电子器件[1]的制备方面得到了广泛的应用。以AAM作为模板,人们已制备出各种金属、半导体、聚合物等一维纳米材料和纳米点阵结构。在采用电化学沉积,溶胶-凝胶,化学气相沉积等方法制备纳米材料时,氧化铝薄膜高度有序的孔洞阵列结构发挥了重要的空间限域作用。此外,利用氧化铝薄膜也可以制备其他材料的纳米孔洞阵列的复型结构。随着纳米技术,特别是一维纳米材料的制备技术的进一步发展,氧化铝薄膜的应用也日益广泛。因此,有必要对高度有序的阳极氧化铝薄膜的制备进行深入的研究。而制备薄膜的工艺条件对最终阳极氧化铝薄膜的表面形貌影响很大。为制备出高度有序AAM,系统地研究工艺条件对AAM表面形貌的影响至关重要。
1 阳极氧化铝膜的类型
铝的阳极氧化可以选择阳极氧化条件得到不同形貌的氧化膜,根据其形貌差异可分为阻挡型氧化铝膜和多孔型氧化铝膜。
中性电解液中,铝阳极氧化首先在表面形成一层极其致密的氧化膜,它阻碍了铝基体进一步被氧化,即产生钝化现象。这种氧化膜称为阻挡型氧化铝膜,它化学稳定性高、绝缘性能好、耐高温、耐腐蚀,广泛用于电容器的介电材料。
酸性溶液中,电压适当,铝的阳极氧化形成的氧化膜呈规则多孔状,称其为阳极氧化铝(anodic alumi-num oxide,AAO)或者多孔阳极氧化铝(porous anod-ic alumina,PAA)。其孔径在纳米级、分布均匀、纵横比大,结构可随阳极氧化条件在较大范围内调整,是合成一维纳米材料的理想模板。
2 多孔氧化铝膜的制备方法研究
1953年Keller等人首次提出采用电化学方法制备AAO,90年代后随着纳米科技的深入发展,AAO的制备方法不断改进。1995年,。随后,国内外有多人研究AAO的制备方法,AAO制备工艺不断完善。1997年,。
二次纯铝片(%)为原材料,二次阳极氧化法制备AAO的工艺已经比较成熟,其工艺流程如图所示。这种方法工艺简单、易操作、设备简单、成本低廉。
图为二次阳极氧化工艺流程
第一步阳极氧化的AAO外层孔分布欠均匀而底部很均匀,用混酸溶液溶解孔分布欠均匀的薄层,在铝基体上得到分布有序的凹凸纹理,然后再进行第二步阳极氧化。经剥离铝基体、去除阻挡层后得到通空的AAO,再经扩孔可进一步调整孔径,得到合适的AAO模板。常见的几种电解液及其实验参数如表。
不同条件下形成的AAO的孔间距和孔径
采用有适当尺寸并带有特定形状有序突起的SiC模具在高纯铝片上压制出有序的凹痕,然后进行阳极氧化,得到孔有序分布的AAO。该方法可制备出三角形、正方形[23]和六角形纳米孔眼的AAO[24]。受模具的限制并对模具的机械性能要求很高且制备费用相对较高,制得的AAO孔径较大、孔密度较低。
3 多孔氧化铝膜的形成机理
铝阳极氧化在形成AAO,这是一个涉及物理、化学和电化学等诸多方面的复杂过程了;同时也受到电解液、阳极氧化电压、反应温度等实验参数影响。目前尚无统一的模型能够很好地解释清楚所有问题,比较常见的有以下几种模型。
1970年,[5],认为铝的阳极化过程包括阻挡层形成、阻挡层溶解和多孔层稳定生长3个阶段。当电压加到电极两端时电流很高,铝表面形成薄而致密的阻挡层,刚生成的氧化铝部分会发生化学溶解。阻挡层达一定的临界值后,电解液开始在其表面规则排列点处溶解出最初的孔核,这使原来均匀分布的电场在孔底部集中,孔底部的溶解速度大大增强,同时孔底部电场增强、电流增大导致局部过热,也加速了溶解过程。另一方面,孔底部过快溶解又导致电场的进一步集中。溶解同时,在电场作用下Al3+向外迁移、O2+或O