Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Simultan multi overflade Anodizations og trappe-lignende Reverse bias udstationering af anodisk aluminium oxider i svovlsyre og oxalsyre elektrolyt

Published: October 5, 2017 doi: 10.3791/56432
Automatic Translation
*1, *1, 2, 1, 1
1School of Advanced Materials Science and Engineering, Sungkyunkwan University, 2Department of Applied Organic Materials Engineering, Inha University
* These authors contributed equally

Summary

En protokol for at fabrikere nanoporous anodisk aluminium oxider via simultan multi overflader anodization efterfulgt af trappe-lignende reverse bias forsyningslinier præsenteres. Det kan anvendes igen og igen til samme aluminium substrat, udstiller en letkøbt, højtydende og miljøvenlig ren strategi.

Abstract

Efter rapportering om to-trins anodization, nanoporous anodisk aluminium oxider (AAOs) har været almindeligt udnyttet alsidige inden for grundlæggende videnskab og industrielle applikationer som følge af deres periodiske arrangement af nanoporer med relativt høje størrelsesforhold. Dog teknikker rapporteret hidtil, som kunne kun gyldig for mono-overfladen anodization, vis kritisk ulemper, dvs, tidskrævende samt komplicerede procedurer, der kræver giftige kemikalier, og spilde værdifulde naturressourcer . I dette papir vise vi en letkøbt, effektive og miljømæssigt rene metode til at fremstille nanoporous AAOs i svovlsyre og oxalsyre syre elektrolytter, som kan overvinde de begrænsninger, der skyldes konventionelle AAO opdigte metoder. Første, flertalsformen AAOs er produceret på én gang gennem simultan multi overflader anodization (SMSA), der angiver mass-producibility af AAOs med sammenlignelige kvaliteter. For det andet kan AAOs adskilles fra aluminium (Al) substrat ved at anvende trappe-lignende reverse bias (SRBs) i samme elektrolytten bruges til SMSAs, antyde enkelhed og grønne teknologiske egenskaber. Endelig kan en enhed sekvens bestående af SMSAs sekventielt kombineret med SRBs-baserede detachement anvendes gentagne gange på den samme Al substrat, som styrker fordelene af denne strategi og også garanterer effektiv brugen af naturlige ressourcer.

Introduction

AAOs, som blev dannet af Anodisering Al substrat i en sur elektrolyt, har vakt stor interesse i forskellige grundlæggende videnskab og industri, for eksempel, hård skabeloner for nanorør/nanowires1,2,3 , 4 , 5, energi opbevaring enheder6,7,8,9, bio-sensing10,11, filtrering applikationer12,13 , 14, masker til fordampning og/eller ætsning15,16,17, og kapacitive fugt sensorer18,19,20,21 ,22, på grund af deres egen bestilte honeycomb struktur, høj aspekt forholdet mellem nanoporer og overlegen mekaniske egenskaber23. For at anvende nanoporous AAOs til disse forskellige programmer, bør de være fritstående formularer med et stærkt og langtrækkende bestilte vifte af nanoporer. I denne henseende skal strategier for at opnå AAOs overveje både dannelsen (anodisering) og adskillelse (afmontering) procedurer.

I AAO dannelsen synspunkt var milde anodization (herefter benævnt MA) veletableret under svovlsyre, oxalsyre og phosphorsyre sure elektrolytter23,24,25,26 ,27. Dog udstillet MA processer lav-udbytte af AAO fabrikation på grund af deres langsom vækstrate afhængigt af relativt lav intensitet af anodisk spændinger, som ønsker yderligere forværres gennem en totrinsproces på MA for at forbedre nanoporer hyppighed28 ,29. Således blev hårde anodization (HA) teknikker foreslået som alternativer til MA ved at anvende højere anodisk spændinger (oxalsyre/svovlsyre syre elektrolyt) eller ved hjælp af mere koncentreret elektrolyt (fosforsyre)30,31, 32,33,34,35,36,37,38,39,40. HA vise processer forskellige forbedringer af vækstrater samt periodiske ordninger, der henviser til, at der følger AAOs blev mere skrøbelige, og tætheden af nanoporer blev nedsat30. Derudover kræves et dyrt kølesystem for sprede Joules varme forårsaget af høj strømtæthed31. Disse resultater begrænser den potentielle anvendelighed af AAOs via HA processer.

Til at adskille en AAO fra den pågældende flade af Al plade, var selektiv kemisk ætsning af resterende Al substratet mest udbredte udnyttes i både MA og HA processer ved hjælp af giftige kemikalier, såsom kobber chlorid35,39 ,41,42 eller kviksølv chlorid16,17,43,44,45,46, 47 , 48 , 49. imidlertid denne metode inducerer ufordelagtige bivirkninger, f.eks., en længere reaktionstid proportional med resterende tykkelsen af Al, smitte AAO af heavy metal-ioner, skadelige rester til menneskelige krop/naturlige miljøer , og ineffektiv brug af værdifulde ressourcer. Derfor, mange forsøg har gjort for at realisere direkte udstationering af en AAO. Selv om både katodisk spænding delaminering50,51 og anodisk spænding puls detachement7,41,42,52, 53,54,55 præsentere en fortjeneste, at den resterende Al substrat kan genbruges, den tidligere teknik tager næsten sammenlignes tid med dem i kemisk ætsning metoder50. Uanset klar nedsættelse af behandlingstiden, blev skadelige og meget reaktive kemikalier, for eksempler på butanedione og/eller perchlorsyre, brugt som afmontering elektrolytter i sidstnævnte teknikker55, hvor en ekstra rengøring proceduren er nødvendig på grund af den skiftende elektrolyt mellem anodisering og fjernelse procedure. Især, påvirke den fjernelse adfærd og kvaliteten af de fritliggende AAOs alvorligt tykkelse. Hvis AAO med relativt tyndere tykkelse, kan den fritliggende ene indeholde revner og/eller åbninger.

Alle de eksperimenterende tilgange ovennævnte er blevet anvendt til en "single-overflade" af Al modellen, eksklusive overflade beskyttelse/teknisk formål, og denne funktion af de konventionelle teknologier udstiller kritiske begrænsninger af AAO fabrikation med hensyn til udbytte samt processibility, som også påvirker den potentielle anvendelighed af AAOs56,57.

For at opfylde de stigende krav i felterne AAO-relaterede letkøbt, højt udbytte og grønne teknologiske tilgange, rapporteret vi tidligere på SMSA og direkte detachement gennem SRBs under svovlsyre56 og oxalsyre57 syre elektrolyt, henholdsvis. Det er velkendt, at flertalsformen AAOs kan dannes på flere overflader af Al substrat nedsænket i sure elektrolytter. Dog aktiverer SRBs, en vigtig skelnen af vores metoder, detachment af AAOs fra de tilsvarende multi overflader af Al substrat i det samme sure elektrolyt bruges til SMSAs angivelse masseproduktion, enkelhed og grønne teknologiske karakteristika. Vi vil gerne påpege, at SRBs-baserede udstationering er en optimal strategi for pluralistisk AAOs fabrikeret af SMSAs56,57 og endda gælder for relativt tyndere tykkelser AAOs57 sammenlignet med katodisk delaminering (dvs., konstant reverse bias) på single-overflade 51. Endelig, en enhed sekvens bestående af SMSAs sekventielt kombineret med SRBs-baserede udstationering kan anvendes gentagne gange på den samme Al substrat, undgå komplicerede procedurer og giftige/reaktive kemikalier, som styrker fordelene ved vores strategier og garanterer også den effektive brug af naturressourcer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Vær opmærksom på alle de relaterede materialer sikkerhedsdatablade (MSDS) før begyndelsen. På trods af øko-venlige karakteren af denne protokol anvendes et par syrer og ilte i de tilsvarende procedurer. Også bruge alle de korrekte personlige værnemidler (laboratoriekittel, handsker, sikkerhedsbriller, etc.).

1. forberedelse af løsning

Note: efter komplet forsegling løsning-holdige fartøjets, kraftig magnetiske omrystning blev anvendt til alle løsninger ved stuetemperatur i tilstrækkelig tid.

  1. Udarbejdelse af perchlorsyre løsning
    1. 100 mL perchlorsyre (HClO 4, 60%) blandes med 400 mL absolut ethanol (C 2 H 5 OH, 100%) i 1 til 4 volumen ratio.
  2. Forberedelse af chromsvovlsyre
    1. 9,0 g chromic oxid (CrO 3) og 20,3 mL fosforsyre (H 3 PO 4, 85%) opløses i 479.7 mL deioniseret (di) vand (CrO 3: H 3 PO 4 = 0.18 M:0.56 M).
  3. Forberedelse af svovlsyre elektrolyt
    1. Mix 16,2 mL svovlsyre (H 2 SO 4, 98%) i 983.8 mL di vand resulterer i molære koncentration af 0,3 M.
  4. Forberedelse af oxalsyre elektrolyt
    1. opløses 27.012 g vandfri oxalsyre (C 2 H 2 O 4) i 1 L di vand resulterer i molære koncentration af 0,3 M.

2. Forbehandling af Al substratet

  1. bearbejdning Al modellen
    1. skære renset Al modellen (> 99,99% rent) i rektangulære parallelepipedum form (bredde x højde x tykkelse = 20,0 mm x 50.0 mm x 1,0 mm) med rette vinkler mellem alle de tilstødende overflader, der er nævnt som " substratet " herefter.
    2. Polsk Multi overflader af Al substrat mekanisk ved hjælp af sandpapir med korrekt ISO/FEPA Grit betegnelsen nummer mere end P1000.
      Bemærk: Se Supplerende oplysninger for flere detaljer.
  2. Samtidige electropolishing på flere overflader af Al substrat
    1. Pour anslået 350 mL perchlorsyre ethanol opløsning i dobbelt jakke bægerglas med maksimal kapacitet på 600 mL. Derefter, fordybe fire femtedele af Al substrat i perchlorsyre løsning.
    2. Sæt temperaturen i perchlorsyre løsning på 7 ±0.1 ° C ved hjælp af et badekar cirkulationspumpe tilsluttet et dobbelt jakke bægerglas.
    3. Clean Al substrat gennem ultralydbehandling i acetone for 30-40 min. og skyl med acetone og D.I vand et par gange for at fjerne organiske rester på overfladen af Al substrat.
    4. Tørre Al underlaget ved hjælp af luft-pistol eller nitrogen (N 2) gas slag for at eliminere opløsningsmid­.
      Bemærk: Naturlige tørring under atmosfærisk miljøer er ikke anbefales fordi opløsningsmiddel spor negativ indvirkning effekterne electropolishing.
    5. Slut Al underlag arbejdende elektrode (We) til positive (+) porten og platin (Pt) wire counter elektrode (C.E.) programmerbare DC strømforsyning, bruge krokodillenæb negative (-)-port. Al substrat og Pt wire bør være parallel med hinanden (Se Figur S2).
    6. Anvend frem bias i +20.0 V til Al ofringerne til Pt C.E. for 2-4 min. i gennemsnit. Afhængigt af overfladetilstand, såsom forurening eller ruhed, kunne anvende tiden holdes op til 5 min. inspicere alle overflader nedsænket i løsning til at kontrollere, om rester på overfladen skrælle og glide ned i løsningen. Under dette trin magnetiske omrøring anbefales ikke, da inspektion er vanskeligt under omrøring, og løsning flow kan påvirke effekten electropolishing.
      Bemærk: Må ikke electropolish for mere end 5 min, som muligvis forværres overfladerne.
      Option: Registrering af aktuelt tidspunkt (jeg-t) karakteristika adfærd via PC interface er nyttigt til at overvåge proceduren electropolishing herunder unormal point, hvis de findes.
    7. Stoppe anvende bias og afbryde krokodillenæb. Afhente Al substrat og Pt elektrode omhyggeligt fra electropolishing løsningen. Fjern derefter resterende løsning på overfladen af Al underlaget ved hjælp af ethanol (95%) og D.I vand et par gange. Hvis electropolishing er udført korrekt, spejl-lignende færdige overflader af Al substrat kan identificeres (Se Figur S1 og Figur S3).
    8. Gemme elektropoleret Al substrat i ethanol (95%) indtil den næste procedure at minimere overfladen oxidation.

3. Massive fabrikation af AAOs under oxalsyre elektrolyt

Bemærk: For AAOs med en langtrækkende arrangement af nanoporer ' hyppighed, SMSAs totrinsprocedure blev brugt, som med jævne mellemrum tekstureret Al multi overflader var at opnå gennem pre-SMSA, og derefter, main-SMSA blev gennemført for at fabrikere de højt kvalificerede AAOs. Gentagne anvendelse af en enhed sekvens kan holde producerer plural og næsten identiske AAOs indtil Al substrat forbliver. " n " angiver antallet af anvendte sekvensen.

  1. n th Pre-SMSA
    1. Pour tilnærme 650 mL af oxalsyre vandig opløsning med molære koncentration af 0,3 M i en dobbelt jakke bægerglas med maksimal kapacitet af 1.0 L. Derefter, fordybe omkring tre fjerdedele af Al substrat oploesningen oxalsyre.
    2. Sæt temperaturen af oxalsyre elektrolyt på 15 ±0.1 ° C ved hjælp af et badekar cirkulationspumpe tilsluttet et dobbelt jakke bægerglas.
    3. Afhente elektropoleret Al substrat fra ethanol, og fjerne de resterende opløsningsmiddel ved hjælp af en luft-pistol eller N 2 gas blow.
    4. Tilslut elektropoleret Al substrat til uforstand (+) og Pt ledning til C.E. (-) af programmerbare DC strømforsyning ved hjælp af en alligator klip. Al substrat og Pt wire bør parallelt med hinanden. Derefter, fordybe elektropoleret del af Al substrat i oxalsyre elektrolyt.
      Bemærk: Sørg for, at nok plads (fx, omtrentlige 1 cm) findes mellem toppen af den sure elektrolyt og bunden af alligator klippet tilsluttet Al substrat, ellers svær korrosion opstår på alligator klip tilsluttet holdning.
    5. Gælder anodisk bias af +40.0 V for ofringerne til C.E. for mere end 1-2 h under moderat magnetiske omrøring af 100-150 rpm for at opretholde elektrolyt temperatur.
      Bemærk: Hvis Pre-SMSA tid er for kort, multi overflader af Al substrat vil ikke være struktureret korrekt.
      Option: Optagelse jeg-t karakteristika adfærd via PC interface er nyttige for at forstå typiske adfærd i SMSA.
    6. Stop anvende anodisk bias after endt pre-SMSA, og Afbryd krokodillenæb. Afhente prøve omhyggeligt fra sur elektrolyt, og skyl pre-SMSAed Al substrat bruge acetone og D.I vand et par gange.
  2. n th Pre-AAOs ætsning
    1. indstillet temperatur af kromsyre vandig opløsning på 60-65 ° C.
    2. Fordyb pre-SMSAed Al substrat til chromsvovlsyre for 1-2 h til fjern pre-AAOs på Al substrat.
    3. Skylles pre-AAOs fjernet Al substrat med acetone og di vand et par gange. Måle modstanden i Al substrat til at bekræfte, om pre-AAOs er helt fjernet på overfladen. Hvis ikke, gentages ætsning proceduren igen (trin 3.2.2).
  3. n th Main-SMSA
    1. re-sæt op alle de eksperimentelle betingelser og forbindelser som dem, der anvendes i trin 3.1.
      Bemærk: Det skal bemærkes, at oxalsyre elektrolyt kan bruges i et par sekvenser, og dette påvirker ikke kvaliteter af main-AAOs. For kvantitative sammenligninger, det anbefales dog at elektrolytten er brugt i en hel sekvens, og derefter udveksles med en frisk en.
    2. Gælde ofringerne til C.E. anodisk bias af +40.0 V; anvende tid kan varieres alt efter AAO ønskeligt tykkelse. AAO vækstrate var anslået til at være omkring 8,0 og 7.5 μm/h på forsiden og tilbage overflade af Al underlaget ved elektrolyt temperatur på 15 ° C, henholdsvis (henvis til at henvise til 57 for flere detaljer).
  4. n th SRBs-udstationering
    1. stoppe anvendes til anodisk bias og omrøring efter endt main-SMSA, og Tilslut main-SMSAed Al substrat til C.E. (-) og Pt ledning til uforstand (+) for den programmerbare DC strømforsyning ved at skifte hver alligator klip.
    2. Gælder SRBs og inspicere typisk boblende virkninger langs Al substrat dækket med main-AAOs multi kanter. Detaljer om SRBs tilstand, såsom intensiteten af begyndelsen RB, antallet af trapper og varighed i hver trappe, er tæt korreleret med tykkelsen af main-AAOs. For main-AAOs tykkere end 60 μm styres trappe i SRBs fra -21 V til V -24 med tilvækst-1 V og uden tidsintervallet mellem tilstødende trapper. Varighed for -21 V,-22 V og-23 V blev fastsat til 10 min, og den endelige trappe af -24 V blev opretholdt indtil den fjernelse procedure afsluttet (Se reference 57 for flere detaljer, herunder i tilfælde af tyndere AAOs).
      Bemærk: Det anbefales stærkt for en nybegynder at udnytte PC interface kontrol af SRBs og optage jeg-t karakteristiske kurver under denne procedure.
    3. Afslut anvende SRBs efter endt udstationering, og Afbryd krokodillenæb. Afhente prøve omhyggeligt fra sur elektrolyt, og skyl dem omhyggeligt med acetone og D.I vand et tilstrækkeligt antal gange.
    4. Særskilt hver AAO fra tilsvarende Al overfladen helt. Lige efter trin 3.4.3, øvre dele af de fritliggende AAOs stadig er tilsluttet til Al substrat, som bør brydes manuelt.
  5. n th resterende alumina ætsning
    1. indstillet temperatur af chromsvovlsyre på 60-65 ° C, og Fordyb AAOs-frakoblet Al substrat for ca 30 min til at fjerne resterende alumina.
    2. Pluk op den ætsede Al substrat, og skyl med acetone og di vand et par gange. Måle modstand for at bekræfte fuldstændig fjernelse af resterende aluminiumoxid. Hvis ikke, skal du gentage trin 3.5.2.
  6. n + 1 th sekvens
    1. gå til trin 3.1, og Gentag hele sekvensen ved hjælp af de resterende alumina-ætset Al substrat.

4. Massive fabrikation af AAOs under svovlsyre elektrolyt

NOTE: I dette afsnit, er klart forskellige forhold fra dem i trin 3 påpegede.

  1. n th Pre-SMSA
    1. Pour tilnærme 650 mL svovlsyre vandig opløsning (0,3 M) i en dobbelt jakke bægerglas med maksimal kapacitet af 1.0 L. Derefter, omkring tre fjerdedele af Al substrat er nedsænket i svovlsyre løsning.
    2. Indstil temperaturen af elektrolyt på 0 ±0.1 ° C.
    3. Fjern de resterende opløsningsmiddel på elektropoleret Al substrat ved hjælp af en luft-pistol eller N 2 gas blow, og Tilslut Al substrat til en programmerbare DC strømforsyning ved hjælp af krokodillenæb (henvis til trin 3.1.4)
    4. Anvend anodisk bias i +25.0 V til ofringerne til C.E. for mere end 1-2 h under moderat magnetiske omrøring (100-150 rpm).
    5. Afslut anvendes til anodisk bias efter endt pre-SMSA, og Afbryd krokodillenæb. Samle op og skyl pre-SMSAed Al substrat bruge acetone og D.I vand et par gange.
      Bemærk: For n th Pre-AAOs ætsning, henvise til trin 3.2.
  2. n th Main-SMSA
    1. re-sæt op alle de eksperimentelle betingelser og forbindelser som dem, der anvendes i trin 4.1.
    2. Anvender de samme anodisk bias. Anvende tid kan varieres alt efter ønskeligt AAO tykkelse. AAO vækstrate blev anslået til omkring 5,3 μm/h (der henvises til reference 56 for flere detaljer).
  3. n th SRBs-udstationering
    1. Afslut anvendes til anodisk bias og omrøring efter endt main-SMSA, og Tilslut main-SMSAed Al substrat til C.E. (-) og Pt ledning til uforstand (+) af programmerbare DC strøm forsyning ved at skifte hver alligator klip.
    2. Anvende SRBs, og inspicere typisk boblende virkninger langs flere kanter af prøven. Trappe i SRBs blev kontrolleret fra -15 V til V -17 med tilvækst-1 V og uden tidsintervallet mellem tilstødende trapper. Varighed for -15 V og V -16 var fast på 10 min, og endelige trappe af -17 V blev opretholdt indtil den fjernelse procedure fuldført.
      Bemærk: Baseret på den mere skrøbelige karakter af AAOs fremstillet under svovlsyre elektrolyt, det nuværende niveau blev brat øget på de fjernelse øjeblikke ledsaget med mærkbar klikkende lyde.
    3. Afslut anvender SRBs efter endt udstationering, og Afbryd krokodillenæb. Afhente prøve omhyggeligt fra sure elektrolytten, og skyl omhyggeligt med acetone og D.I vand et tilstrækkeligt antal gange.
    4. Adskille hver AAO fra den tilsvarende Al overflade mekanisk ved at bryde de øvre dele af som løsrevet AAOs.
      Bemærk: For n th resterende alumina ætsning henvise til trin 3.5.
  4. n + 1 th sekvens
    1. gå til trin 4.1, og Gentag hele sekvensen ved hjælp af de resterende alumina-ætset Al substrat.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Flowdiagram af nth AAO opdigte sekvens hovedsageligt bestående af to-trins SMSAs, SRBs-udstationering, og relaterede kemisk ætsning blev præsenteret skematisk i figur 1a. Hver inset viser en scanning elektron mikroskop (SEM) billede af den tilsvarende overflade morfologi på hver enkelt procedure og et fotografi taget umiddelbart efter SRBs-udstationering. En skematisk illustration efter den samlede 5th gentagelse af enhed sekvens udstillet fordelene SMSA og SRBs-baserede strategier (figur 1b). jeg-t karakteristiske kurver af den pre og main-SMSAs op til de 5th sekvenser blev sammenlignet i figur 2a og figur 2b, henholdsvis. En sammenligning af, jeg-t karakteristiske kurver fra hver SRBs-afmonterer procedure er vist i figur 2 c. Fotografi og tilsvarende SEM billeder af main-AAOs hidrørende fra for- og bagside overflader under oxalsyre og svovlsyre elektrolytter er præsenteret i figur 3 og figur 4, henholdsvis.

Figure 1
Figur 1 :  n th AAOs fabrikation procedurer (n = 1, 2, 3...). (en) skematisk flowdiagram herunder tilsvarende SEM billeder i nth AAOs opdigte sekvens: (i) uberørte Al substrat, (ii) Electro polering, (iii) nth pre-SMSA, (iv) nth pre-AAOs ætsning, (v) nth main-SMSA, (vi) nth SRBs-afmontering, (vii) nth resterende alumina ætsning. En enhed sekvens blev afbildet ved hjælp af stiplede blå boks. (b) skematisk illustration, der viser at flertalsformen AAOs med samme dimensioner af tilsvarende overflader blev med succes opnået fra flere overflader af en enkelt Al plade gennem 5th gentagne applikationer af enhed sekvens. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2 : Særegen funktionsmåder under to-trins SMSAs og SRBs-afdelinger af AAOs under oxalsyre elektrolyt på 15 ° C. -T karakteristiske kurver af (en) pre og (b) main-SMSAs fra 1st til 5th sekvenser, henholdsvis. (c) - t karakteristiske kurver af SRBs-afmonterer procedurer fra 1st til 5th sekvenser. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3 : Fotografi af den resterende Al substrat og main-AAOs efter 5 th gentagne applikationer af enhed sekvens under oxalsyre elektrolyt. AAOs fremstillet af forsiden og bagsiden overflader var kendetegnet ved røde og blå stiplede bokse, henholdsvis. Mellemværker: Åben-pore og barriere side SEM billeder af den tilsvarende 1st til 5th main-AAOs. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 4
Figur 4 : Fotografi af den resterende Al substrat og main-AAOs efter 5th gentagne applikationer af enhed sekvens under svovlsyre elektrolyt. AAOs fremstillet af forsiden og bagsiden overflader var kendetegnet ved røde og blå stiplede bokse, henholdsvis. Mellemværker: Åben-pore og barriere side SEM billeder af den tilsvarende 1st til 5th main-AAOs. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Supplerende oplysninger: Venligst klik her for at downloade denne fil.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

I dette papir demonstreret vi med succes en letkøbt, højt udbytte og miljømæssigt rene metode til at fremstille nanoporous AAOs gennem SMSA og SRBs-distance, som kunne gentages til den samme Al substrat til markant forbedring af mass-producibility som samt anvendeligheden af begrænset naturressource. Som vist i figur 1aflowdiagram, er vores AAO opdigte strategi baseret på den konventionelle to-trins anodization, som blev ændret på flere overflader situation. Enkelte procedurer fungerede godt uafhængigt af de andre overflader, fordi elektriske felter i electropolishing og to-trins SMSAs procedurer blev dannet i de normale retninger på flere overflader, hvor den elektrokemiske reaktion opstår samtidigt. I dette synspunkt, bliver placeringen af hver overflade og tilsvarende AAO defineret med hensyn til counter elektrode, som vist i figur 1b; fx"Front" udpege en overflade konfrontere Pt counter elektrode, og så videre.

Uberørte Al substrat viste grovere overflader på grund af mekaniske polering, som blev meget glattere efter electropolishing procedure. Hver overflade af elektropoleret Al substrat lignede et spejl i overordnet, men det var dækket med uregelmæssigt fordelt nanoskala concaves som vist i indsatser (ii) af figur 1a. Ikke kun hver rengøring men også tørring behandling var derfor også meget vigtigt, på grund af det faktum, at solvent spor kunne påvirke overflade morfologier i procedurer efter electropolishing. Når forringet, overflader aldrig genvundet, og holdt de fattige morfologier. I denne henseende, ville overdreven electropolishing behandling ikke være godt enten. Hvis electropolishing tid er for lang tid, med jævne mellemrum arrangeres bølget blev dale dannet på hele Al overflader, som kan øge en klæbestyrke mellem AAOs og Al. En enhed sekvens skildret af en blå-stiplet boks vist i figur 1a består af nth pre-SMSA, nth pre-AAOs ætsning, nth main-SMSA, nth SRBs-udstationering, og Nielsen th resterende alumina ætsning, hvor n er antallet af anvendte sekvensen (n = 1, 2, 3,...).

Figur 2 sammenlignes - t karakteristiske kurver pre/main-SMSA og SRBs-udstationering fra 1st til 5th sekvenser. I begge SMSAs, det nuværende niveau gradvist faldt med stigende anvendelse tid. Disse typiske funktioner var kun observeret i en multi overflader situation at tillægge den gradvise reduktion af samlede Anodisering område samt ophobning af mekaniske belastninger på grund af tyktflydende flow23,58 og volumen ekspansion23,59,60,61,62 under samtidige formationer af plural AAOs56,57. Tidligere rapporter om disse SMSA og SRBs-udstationering foreslog den stress-frigivet direkte fjernelse mekanisme, som kunne blive yderligere optimeret gennem passende SRBs betingelser for relativt tyndere tykkelse af AAO (henvis til at henvise til57 for flere detaljer).

En intuitiv skematisk illustration antyde massive producibility er med succes realiseret i figur 3 og figur 4 udstiller resultater af samlede 5th gange gentagelser af enhed sekvens under oxalsyre og svovlsyre syre elektrolyt, henholdsvis. Hvert fotografi viser tydeligt, alle AAOs har den nøjagtige lig dimensioner til dem af tilsvarende foran og tilbage overflader (Se Supplerende oplysninger for de AAOs løsrevet fra siderne og bunden overflader). Barriere side SEM billeder af alle sekvenser anføres, at kavalergang fly under barriere oxider i begge sure elektrolytter, der er lignende resultater om katodisk delaminering af en relativt tykkere AAO på mono-overflade50, 51. som en alternativ metode til at opnå AAO med gennem hullet strukturer (dvs., uden hindring oxid), anodisk spænding puls detachement ved hjælp af en anden afmontering elektrolyt7,41, 42,52,53,54,55 eller to-lags anodization indarbejde normale AAO i en opoffrende en fabrikeret fra sure elektrolyt af ekstremt høje koncentration (12,0 M)63 kan tages i betragtning.

SMSA og SRBs-baseret strategi synes at besidde en syre-type uafhængig karakter, derfor sine forskellige fordele og styrker er værd ekspanderende til fosforsyre elektrolyt og/eller HA betingelse, som vil berige nanoporous AAOs potentialer mod mere alsidige programmer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Denne forskning blev delvist understøttet af den nationale forskning fundament af Korea (NRF) tilskud finansieret af Korea regering (MSIP) (nr. 2016R1C1B1016344 og 2016R1E1A2915664).

Acknowledgments

Forfatterne har ikke noget at oplyse.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Tags

Teknik spørgsmålet 128 simultan multi overflader anodizations trappe-lignende reverse bias direkte detachement anodisk aluminiumoxid masseproduktion grøn teknologi
Simultan multi overflade Anodizations og trappe-lignende Reverse bias udstationering af anodisk aluminium oxider i svovlsyre og oxalsyre elektrolyt
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Im, H., Jeong, S. H., Park, D. H.,… More

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter