Summary
Een protocol voor het fabriceren van nanoporeuze anodic aluminium stikstofoxiden via gelijktijdig meerdere oppervlakken anodisatie gevolgd door trap-achtige omgekeerde vertekeningen detachementen wordt gepresenteerd. Het kan herhaaldelijk worden toegepast op de dezelfde aluminium substraat, een facile tentoonstellen, hoge opbrengst en ecologisch schoon strategie.
Abstract
Na rapportage over de twee stappen anodisatie, nanoporeuze anodic aluminium stikstofoxiden (AAOs) hebben grote schaal gebruikt in het veelzijdige gebied van fundamentele wetenschappen en industriële toepassingen als gevolg van hun periodieke regeling van nanopores met relatief hoge hoogte-breedteverhouding. Echter de technieken tot nu toe gerapporteerd die kon worden alleen geldig voor mono-oppervlak anodisatie, Toon kritische nadelen, dat wil zeggen, tijdrovende evenals ingewikkelde procedures, te verplichten op giftige chemische stoffen, en verspilling van waardevolle natuurlijke hulpbronnen . In deze paper tonen we een facile, efficiënte en milieuvriendelijke schone methode om te fabriceren nanoporeuze AAOs in zwavelzuur en oxaalzuur zure elektrolyten, die kunnen overwinnen van de beperkingen die voortvloeien uit conventionele AAO fabriceren van methoden. Eerste, meervoud AAOs worden geproduceerd op een bepaald moment door gelijktijdige meerdere oppervlakken anodisatie (SMSA), met vermelding van de mass-producibility van de AAOs met vergelijkbare kwaliteiten. Ten tweede, deze AAOs kunnen worden gescheiden van het substraat aluminium (Al) door trap-achtige omgekeerde vooroordelen (SRBs) toe te passen in de dezelfde elektrolyt gebruikt voor de SMSAs, eenvoud en groen technologische kenmerken impliceren. Tot slot kan een reeks van de eenheid die bestaat uit de SMSAs opeenvolgend gecombineerd met SRBs gebaseerde detachement herhaaldelijk worden toegepast op de dezelfde Al substraat, die de voordelen van deze strategie versterkt en ook garandeert het efficiënt gebruik van natuurlijke hulpbronnen.
Introduction
AAOs die werden gevormd door het anodiseren Al substraat in een zure elektrolyt, hebben grote belangstelling in diverse fundamentele wetenschap en industrie, bijvoorbeeld hard sjablonen voor nanotubes/nanowires1,2,3 , 4 , 5, energie-opslag apparaten6,7,8,9, bio-sensing10,11, filteren van toepassingen12,13 , 14, maskers voor verdamping en/of etsen15,16,17, en capacitieve vochtigheid sensoren18,19,20,21 ,22, als gevolg van hun zelf bestelde honingraatstructuur, hoge hoogte-breedteverhouding van nanopores en superieure mechanische eigenschappen23. Zij moeten voor de toepassing van de nanoporeuze AAOs om deze verschillende toepassingen, vrijstaande vormen met een sterk en lange-afstands geordende matrix van nanopores. In dit verband strategieën voor het verkrijgen van AAOs moeten rekening houden met zowel de vorming (anodiseren) en de scheiding (losmaken) procedures.
In het gezichtspunt van de AAO-formatie was milde anodisatie (hierna genoemd als MA) goed ingeburgerd onder fosforzuur, zwavelzuur en oxaalzuur zure elektrolyten23,24,25,26 ,27. Echter, MA processen tentoongesteld laag-opbrengsten van AAO fabricage vanwege hun trage groei afhankelijk van relatief lage intensiteiten van anodic spanningen, die verder door middel van een proces van twee stappen MA verslechteren zou voor de verbetering van de periodiciteit van de nanopores'28 ,29. Dus werden harde anodisatie (HA) technieken voorgesteld als alternatieven voor MA door toepassen van hogere anodic spanningen (oxaalzuur/zwavelzuur zuur elektrolyt) of het gebruik van meer geconcentreerde elektrolyt (fosforzuur)30,31, 32,33,34,35,,36,,37,38,39,40. HA tonen processen verschillende verbeteringen van groeicijfers, alsmede periodieke regelingen, overwegende dat als gevolg AAOs werd meer kwetsbaar, en de dichtheid van nanopores waren verlaagd30. Bovendien, is een dure koelsysteem vereist voor het absorberen van Joule verwarming veroorzaakt door hoge stroomdichtheid31. Deze resultaten beperken de mogelijke toepasbaarheid van de AAOs via HA processen.
Voor een AAO scheiden van het betreffende oppervlak van de plaat Al, werd selectieve chemische etsen van de resterende Al substraat wijdst gebruikt in zowel de MA en HA processen met behulp van giftige chemische stoffen, zoals koper chloride35,39 ,41,42 of kwik chloride16,17,43,44,45,46, 47 , 48 , 49. echter, deze methode induceert nadelige bijwerkingen, bijvoorbeeld, een langere reactietijd evenredig zijn aan de resterende dikte van het Al, verontreiniging van AAO door zware metaal ionen, schadelijke residuen aan menselijke lichaam/natuurlijke omgevingen , en het inefficiënt gebruik van waardevolle hulpbronnen. Daarom zijn veel pogingen zijn gedaan voor het realiseren van directe detachement van een AAO. Hoewel zowel kathodische spanning delaminatie50,51 en anodic spanning pulse detachement7,41,42,52, 53,54,55 presenteren een verdienste dat de resterende Al substraat kan worden hergebruikt, de voormalige techniek duurt bijna vergelijkbaar met die in chemische etsen methoden50. Ondanks een duidelijke vermindering van de verwerkingstijd, werden schadelijk en zeer reactieve chemicaliën, voor voorbeelden Butaandion en/of perchloorzuur, gebruikt als loskoppelen van elektrolyten in de laatste technieken55, waar een extra reiniging procedure is nodig vanwege de veranderende elektrolyt tussen de procedure anodiseren en ontkoppelen. Vooral beïnvloeden het ontkoppelen gedrag en de kwaliteit van de vrijstaande AAOs ernstig de dikte. In het geval van de AAO met relatief dunner dikte bevatten de vrijstaande één scheuren en/of openingen.
De experimentele benaderingen die hierboven vermeld zijn vereffend met een "single-oppervlakte" van het Al-model, met uitzondering van de oppervlakte bescherming/engineering doeleinden, en deze functie van de conventionele technologieën exposities kritische beperkingen van de AAO fabricage in termen van rendement evenals de processibility, die ook van invloed op de mogelijke toepasbaarheid van de AAOs56,57.
Om te voldoen aan de toenemende eisen op het gebied van AAO-gerelateerde in termen van facile, hoge opbrengst en groene technologische benaderingen, meldden we eerder op SMSA en directe detachement via SRBs onder zwavelzuur56 en oxaalzuur57 zuur elektrolyt, respectievelijk. Het is een bekend feit dat meervoud AAOs op meerdere oppervlakken van het substraat van de Al ondergedompeld in zure elektrolyten kunnen worden gevormd. Echter de SRBs, een belangrijk onderscheid van onze methoden, het losmaken van deze AAOs van de bijbehorende multi oppervlakken van het substraat van de Al in de dezelfde zure elektrolyt gebruikt voor de SMSAs met vermelding van de massaproductie, eenvoud en groen technologische inschakelen kenmerken. Wij willen erop wijzen dat SRBs gebaseerde detachement een optimale strategie voor meervoud AAOs vervaardigd door SMSAs56,57 en zelfs geldig voor relatief dunnere diktes van AAOs57 in vergelijking is met kathodische delaminatie (d.w.z., constante omgekeerde bias) op single-oppervlak 51. Tot slot, een opeenvolging van de eenheid die bestaat uit de SMSAs opeenvolgend gecombineerd met SRBs gebaseerde detachement herhaaldelijk kan worden toegepast op de dezelfde Al substraat, vermijden van ingewikkelde procedures en giftig/reactieve chemicaliën, die versterkt de voordelen van onze strategieën en garandeert ook het efficiënte gebruik van natuurlijke hulpbronnen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Wees u ervan bewust van alle de verwante materialen veiligheidsinformatiebladen (MSDS) voordat u begint. Ondanks het milieuvriendelijke karakter van dit protocol, worden een paar zuren en oxidatiemiddelen gebruikt in de bijbehorende procedures. Ook gebruik maken van alle de juiste persoonlijke beschermingsmiddelen (laboratoriumjas, handschoenen, veiligheidsbril, enz.).
1. bereiding van de oplossing
Opmerking: na volledige afdichting oplossing bevattende vessel, krachtige magnetische roeren was toegepast op alle oplossingen bij kamertemperatuur tijdig.
- Voorbereiding van perchloorzuuroplossing
- 100 mL perchloorzuuroplossing (HClO 4, 60%) mengen met absolute ethanol (C 2 H 5 OH, 100%) in 1 tot en met 4 volumeverhouding 400 mL.
- Bereiding van chroomzuur oplossing
- los 9.0 g chroomzuur oxide (CrO 3) en 20,3 mL fosforzuur (H 3 PO 4, 85%) in 479.7 mL gedeïoniseerd (D.I.) water (CrO 3: H 3 PO 4 = 0.18 M:0.56 M).
- Voorbereiding van zwavelzuur elektrolyt
- Mix 16.2 mL zwavelzuur (H 2 SO 4, 98%) in 983.8 mL D.I. water wat resulteert in Molaire concentratie van 0.3 M.
- Voorbereiding van oxaalzuur elektrolyt
- los 27.012 g watervrij oxaalzuur (C 2 H 2 O 4) in 1 L D.I. water wat resulteert in Molaire concentratie van 0.3 M.
2. Voorbehandelingsplatformen van Al Substrate
- Al verspanen specimen
- knippen het gezuiverde Al specimen (> 99,99% zuiver) in een rechthoekig parallellepipedum vorm (breedte x hoogte x dikte = 20,0 x 50.0 x 1.0 mm) met rechte hoeken tussen alle de aangrenzende oppervlakken, die wordt genoemd " substraat " hierna.
- Pools de multi oppervlakken van het substraat van de Al mechanisch met behulp van schuurpapier met goede ISO/FEPA Grit aanwijzing nummer meer dan P1000.
Opmerking: Zie de Aanvullendeinformatie voor meer details.
- Gelijktijdige elektrolytisch polijsten op meerdere oppervlakken van het substraat Al
- Pour geschatte 350 mL perchloorzuuroplossing ethanol in dubbele mantel bekerglas met maximale capaciteit van 600 mL. Vervolgens vier vijfden van het substraat Al onderdompelen in perchloorzuuroplossing.
- Set de temperatuur van perchloorzuuroplossing 7 ±0.1 ° C met behulp van een bad rondpompthemostaat met een dubbele mantel bekerglas verbonden.
- Het substraat Al door met ultrasone trillingen in aceton voor 30-40 min, en spoelen met behulp van aceton en D.I water een paar keer om de organische reststoffen op de oppervlakken van het substraat Al Clean.
- Droog het substraat van de Al met luchtpistool of stikstof (N 2) gas blazen voor het elimineren van residuele oplosmiddelen.
Opmerking: Natuurlijk drogen onder atmosferische omgevingen wordt worden afgeraden omdat de solvabele sporen last ondervinden van de gevolgen van het elektrolytisch polijsten. - Verbinden met de Al substraat werken elektrode (W.E.) de positieve (+)-poort en de platina (Pt) draad teller-elektrode (C.E.) om de negatieve (-) poort van programmeerbare DC power supply, alligator clips gebruiken. De Al substraat en Pt draad moet evenwijdig aan elkaar (Zie de Figuur S2).
- Toepassen toekomen bias van +20.0 V de W.E. Al met betrekking tot Pt C.E. voor 2-4 min gemiddeld. Afhankelijk van het oppervlak, zoals verontreiniging of ruwheid, konden de toepassing tijd worden gehandhaafd tot 5 min. inspecteren alle oppervlakken ondergedompeld in de oplossing om te controleren of de residuen op het oppervlak schil af en schuif naar beneden in de oplossing. Tijdens deze stap, magnetische roeren wordt niet aanbevolen omdat de inspectie is moeilijk onder roeren, en de stroom van de oplossing kan beïnvloeden het elektrolytisch polijsten effect.
Opmerking: Geen elektrolytisch polijsten voor meer dan 5 min, die de oppervlakken kan verslechteren.
Optie: Opname huidige-tijdweergave (Ik-t) kenmerken gedrag via PC-interface is nuttig voor het toezicht op de procedure van de elektrolytisch polijsten met inbegrip van abnormale punten als ze bestaan. - Niet meer toepassen van vooringenomenheid en koppel de alligator clips. Halen van de Al substraat en Pt-elektrode zorgvuldig uit het elektrolytisch polijsten-oplossing. Verwijder vervolgens de resterende oplossing op het oppervlak van het substraat van de Al met ethanol (95%) en D.I water een paar keer. Als het elektrolytisch polijsten wordt naar behoren uitgevoerd, spiegel-achtige afgewerkte oppervlakken van het substraat Al kunnen worden geïdentificeerd (Zie de Figuur S1 en Figuur S3).
- Bewaren de oppervlaktegesteldheid Al substraat in ethanol (95%) tot de volgende procedure om te minimaliseren van oppervlakte oxidatie.
3. Massale productie van AAOs onder oxaalzuur elektrolyt
Opmerking: voor AAOs met een lange-afstands rangschikking van nanopores ' periodiciteit, SMSAs-procedure in twee fasen werden gebruikt, in die periodiek getextureerde waren Al meerdere oppervlakken verkrijgen via pre-SMSA, en vervolgens, main-SMSA werd uitgevoerd voor het fabriceren van de hooggekwalificeerde AAOs. Herhaalde toepassing van een sequentie van de eenheid kan houden het produceren van meervoud en bijna identiek AAOs totdat het substraat Al blijft. " n " geeft aantal de toegepaste volgorde.
- n th Pre-SMSA
- Pour benaderen met Molaire concentratie van 0,3 M in een bekerglas van dubbele mantel 650 mL van een waterige oplossing van oxaalzuur met maximale capaciteit van 1,0 L. Dan, ongeveer driekwart van het substraat Al onderdompelen in de oplossing van oxaalzuur.
- Set de temperatuur van oxaalzuur elektrolyt op 15 ±0.1 ° C met behulp van een bad rondpompthemostaat met een dubbele mantel bekerglas verbonden.
- Halen de oppervlaktegesteldheid Al substraat van ethanol, en verwijder het resterende oplosmiddel met een luchtpistool of de N 2 gas blazen.
- Sluit de oppervlaktegesteldheid Al substraat W.E. (+) en Pt draad tot C.E. (-) van programmeerbare DC power supply met behulp van een alligator-clip. De Al substraat en Pt draad moet evenwijdig aan elkaar. Dan, dompel de oppervlaktegesteldheid gedeelte van het substraat Al in oxaalzuur elektrolyt.
Opmerking: Zorg ervoor dat er voldoende ruimte (b.v., ongeveer 1 cm) tussen de bovenkant van de zure elektrolyt en de onderkant van de alligator clip aangesloten op het Al substraat, anders ernstige corrosie treedt op bij de alligator clip verbonden positie. - Toepassen anodic bias van +40.0 V W.E. met betrekking tot C.E. voor meer dan 1-2 h onder gematigde magnetische roeren van 100-150 rpm voor de maximumtemperatuur van de elektrolyt.
Opmerking: Als de Pre-SMSA-tijd te kort is, meerdere oppervlakken van het substraat Al zal niet worden getextureerde goed.
Optie: Opname ik-t kenmerken gedrag via PC-interface is nuttig voor het begrijpen van de typische gedrag in de SMSA. - Stop toepassing anodic bias after afwerking van de pre-SMSA, en ontkoppel de alligator clips. Het monster zorgvuldig van zure elektrolyt halen, en spoel de pre-SMSAed Al-substraat met behulp van aceton en D.I water een paar keer.
- n th Pre-AAOs etsen
- de temperatuur van de waterige oplossing chroomzuur bij 60-65 ° C.
- Immerse de pre-SMSAed Al substraat in chroomzuur oplossing voor 1-2 h te verwijderen van de pre-AAOs op het substraat Al.
- Rinse de pre-AAOs verwijderd Al substraat met aceton en D.I. water een paar keer. Meet de weerstand van de ondergrond van de Al te bevestigen of de pre-AAOs volledig zijn verwijderd op het oppervlak. Zo niet, herhaal de etsen procedure opnieuw (stap 3.2.2).
- n th Main-SMSA
- opnieuw instellen alle proefomstandigheden en verbindingen als die welke worden gebruikt in stap 3.1.
Opmerking: Opgemerkt moet worden dat oxaalzuur elektrolyt kan worden gebruikt in een paar sequenties, en dit heeft geen invloed op de kwaliteiten van de main-AAOs. Voor de kwantitatieve vergelijkingen, het wordt echter aanbevolen dat de elektrolyt is gebruikt in een hele reeks, en vervolgens met een verse uitgewisseld. - Van toepassingop anodic bias van +40.0 V W.E. met betrekking tot C.E.; toepassing van tijd kan worden gevarieerd afhankelijk van een wenselijk dikte van AAO. AAO groeitempo op jaarbasis werd geraamd op ongeveer 8.0 en 7.5 μm/h op de voorkant en terug oppervlak van het substraat Al bij de elektrolyt temperatuur van 15 ° C, respectievelijk (verwijs om te verwijzen naar 57 voor meer details).
- opnieuw instellen alle proefomstandigheden en verbindingen als die welke worden gebruikt in stap 3.1.
- n th SRBs-detachement
- stoppen met toepassing van de anodic bias en na het beëindigen van de main-SMSA roeren, en sluit de main-SMSAed Al substraat C.E. (-) en Pt draad tot W.E. (+) voor de programmeerbare DC voeding door over te schakelen van elke alligator clip.
- De SRBs van toepassing, en typische borrelende effecten langs aan de meerdere randen van het substraat van de Al bedekt met main-AAOs inspecteren. Details voor SRBs voorwaarde, zoals de intensiteit van de begin-RB, aantal trappen, en duur in elke trap, zijn nauw gecorreleerd met de dikte van de main-AAOs. Voor main-AAOs dikker dan 60 μm, werd trap in SRBs geregeld van-21 V van-24 V met de toename van -1 V en zonder tijdsinterval tussen aangrenzende trappen. De duur van de-21 V -22 V en -23 V is vastgesteld op 10 min, en de laatste trap van-24 V werd gehandhaafd tot het ontkoppelen procedure voltooid (zie referentie 57 voor meer details inclusief het geval van dunner AAOs).
Opmerking: Het wordt sterk aanbevolen voor een beginner te gebruiken PC geïnterfacet controle van SRBs en het opnemen van de ik-t karakteristiek curven tijdens deze procedure. - Sluit SRBs toe te passen na het beëindigen van het detachement af en koppel de alligator clips. Het monster zorgvuldig van zure elektrolyt halen, en spoel ze zorgvuldig met aceton en D.I water een voldoende aantal malen.
- Scheiden elke AAO van betreffende Al oppervlak volledig. Direct na stap 3.4.3, bovendelen van de vrijstaande AAOs zijn nog steeds aangesloten op het Al substraat, die handmatig gebroken moet.
- n th residuele aluminiumoxide etsen
- Stel de temperatuur van chroomzuur oplossing bij 60-65 ° C, en dompel het substraat AAOs-vrijstaand Al voor ongeveer 30 minuten om te elimineren residuele aluminiumoxide.
- Pick-up de geëtste Al substraat, en spoelen met aceton en D.I. water een paar keer. Meet de weerstand om volledig verwijderen van resterende aluminiumoxide te bevestigen. Zo niet, herhaal stap 3.5.2.
- n + 1 th reeks
- Ga naar stap 3.1, en herhaal de hele reeks met behulp van de resterende aluminiumoxide-geëtst Al substraat.
4. Massale productie van AAOs onder zwavelzuur elektrolyt
Opmerking: In dit gedeelte duidelijk verschillende omstandigheden van die in stap 3 zijn gewezen.
- n th Pre-SMSA
- Pour geschatte 650 mL zwavelzuur waterige oplossing (0,3 M) in een bekerglas van dubbele mantel met maximale capaciteit van 1,0 L. Dan, ongeveer driekwart van het substraat Al is ondergedompeld in de oplossing met zwavelzuur.
- Stel de temperatuur van het elektrolyt bij 0 ±0.1 ° C.
- Verwijder het resterende oplosmiddel op de oppervlaktegesteldheid Al substraat met behulp van een lucht-pistool of N 2 gas blazen, en sluit het substraat Al aan een programmeerbare DC power supply alligator clips (verwijs naar stap 3.1.4) gebruiken
- Toepassen anodic bias van +25.0 V naar W.E. met betrekking tot C.E. voor meer dan 1-2 h onder gematigde magnetische roeren (100-150 rpm).
- Quit toepassen de anodic bias na afwerking van de pre-SMSA, en ontkoppel de alligator clips. Pick-up en spoel de pre-SMSAed Al-substraat met behulp van aceton en D.I water een paar keer.
Opmerking: voor n th Pre-AAOs etsen, zie stap 3.2.
- n th Main-SMSA
- opnieuw instellen alle proefomstandigheden en verbindingen als die welke worden gebruikt in stap 4.1.
- Gelden de zelfde anodic bias. Toepassing van de tijd kan worden gevarieerd afhankelijk van een wenselijk AAO-dikte. AAO groeitempo op jaarbasis werd geraamd op ongeveer 5,3 μm/h (verwijs om te verwijzen naar 56 voor meer details).
- n th SRBs-detachement
- sluit de toepassing van de anodic bias en roeren na het beëindigen van de main-SMSA af en sluit de main-SMSAed Al substraat C.E. (-) en Pt draad tot W.E. (+) van programmeerbare gelijkstroom leveringen door over te schakelen van elke alligator clip.
- De SRBs van de toepassing, en typische borrelende effecten langs aan de meerdere randen van het monster te inspecteren. Trap in SRBs werd gecontroleerd van -15 V te-17 V met de toename van -1 V en zonder tijdsinterval tussen aangrenzende trappen. De duur van -15 V en -16 V is vastgesteld op 10 min, en laatste trap van-17 V werd gehandhaafd tot het ontkoppelen procedure afgerond.
Opmerking: Gebaseerd op de meest kwetsbare aard van AAOs vervaardigd onder zwavelzuur elektrolyt, het huidige niveau werd abrupt verhoogd op het ontkoppelen momenten gepaard met opvallende klikgeluiden. - Sluit de SRBs toe te passen na het beëindigen van het detachement af en koppel de alligator clips. Het monster zorgvuldig van de zure elektrolyt halen, en een voldoende aantal malen zorgvuldig met aceton en D.I water afspoelen.
- Scheiden elke AAO van het betreffende oppervlak Al mechanisch door het breken van de bovenste delen van als-vrijstaand AAOs.
Opmerking: N th residuele aluminiumoxide etsen Zie stap voor 3.5.
- n + 1 th reeks
- Ga naar stap 4.1, en herhaal de hele reeks met behulp van de resterende aluminiumoxide-geëtst Al substraat.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Stroomdiagram van nth AAO reeks voornamelijk bestaande uit twee stappen SMSAs, SRBs-detachement, fabriceren en verwante chemische etsen werd schematisch voorgesteld in Figuur 1a. Elke inzet een Scannende Elektronen Microscoop (SEM) afbeelding van de overeenkomstige oppervlakte morfologie bij elke afzonderlijke procedure en een foto genomen onmiddellijk na SRBs-detachement weergeven. Een schematische afbeelding nadat de totale 5th herhaling van de eenheid volgorde tentoongesteld voordelen van SMSA en SRBs gebaseerde strategieën (Figuur 1b). ik-t karakteristiek curven van de pre- en main-SMSAs tot de 5th sequenties werden vergeleken in Figuur 2a en Figuur 2b, respectievelijk. Een vergelijking van ik-t karakteristiek curven van elk SRBs-loskoppelen-procedure worden weergegeven in Figuur 2 c. Foto en bijbehorende SEM beelden van de main-AAOs verkregen voor- en achterkant oppervlakken onder oxaalzuur en zwavelzuur-elektrolyten worden gepresenteerd in Figuur 3 en Figuur 4, respectievelijk.
Figuur 1 : n th AAOs fabricage procedures (n = 1, 2, 3...). volgorde van (een) schema stroomschema met inbegrip van de bijbehorende SEM beelden in n-th AAOs fabriceren van: (i) ongerepte Al substraat, (ii) Electro polijsten, (iii) nth pre-SMSA, (iv) nth pre-AAOs etsen, (v) nth main-SMSA, (vi) nth SRBs-losmaken, (vii) nth residuele aluminiumoxide etsen. De volgorde van een eenheid werd afgebeeld met behulp van onderbroken blauwe doos. (b) Schematische illustratie waaruit blijkt dat meervoud AAOs met gelijke afmetingen van overeenkomstige oppervlakken werden met succes verkregen meerdere oppervlakken van een enkele plaat Al via 5th herhaalde toepassingen van de sequentie van de eenheid. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 2 : Eigenaardige gedrag tijdens in twee fasen SMSAs en SRBs-detachementen van AAOs onder oxaalzuur elektrolyt bij 15 ° C. Karakteristiek krommen t van (een) pre en (b) main-SMSAs van 1st aan 5th sequenties, respectievelijk. (c) - t karakteristiek curven van procedures SRBs-loskoppelen van 1st aan 5th sequenties. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 3 : Foto van de resterende Al substraat en main-AAOs na 5 th herhaalde toepassingen van de sequentie van de eenheid onder oxaalzuur elektrolyt. AAOs verkregen voorzijde en rug oppervlakken werden onderscheiden door rood en blauw-onderbroken dozen, respectievelijk. Inzetstukken: Open-porie en barrière kant SEM beelden van de overeenkomstige 1st 5th main-AAOs. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 4 : Foto van de resterende Al substraat en main-AAOs na 5th herhaalde toepassingen van de sequentie van de eenheid onder zwavelzuur elektrolyt. AAOs verkregen voorzijde en rug oppervlakken werden onderscheiden door rood en blauw-onderbroken dozen, respectievelijk. Inzetstukken: Open-porie en barrière kant SEM beelden van de overeenkomstige 1st 5th main-AAOs. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Aanvullende informatie: Klik hier om dit bestand te downloaden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
In deze paper, we succesvol gebleken een facile, hoge opbrengst en ecologisch schoon methode te fabriceren nanoporeuze AAOs via SMSA en SRBs-detachement, die kan worden herhaald op de dezelfde Al substraat voor het aanzienlijk verbeteren van mass-producibility als goed als bruikbaarheid van schaarse natuurlijke hulpbron. Zoals aangetoond in het stroomschema van Figuur 1a, is onze AAO vervaardigen strategie gebaseerd op de anodisatie van conventionele in twee stappen, die is bewerkt op meerdere oppervlakken situatie. Afzonderlijke procedures functioneerde goed onafhankelijk van de andere oppervlakken, omdat elektrische velden in het elektrolytisch polijsten en twee stappen SMSAs procedures werden gevormd in de normale richtingen op de multi oppervlakken, waar de elektrochemische reactie treedt op tegelijkertijd. In dit opzicht, wordt positie van elke oppervlakte en bijbehorende AAO vastgesteld met betrekking tot de teller-elektrode, zoals weergegeven in Figuur 1b; bijvoorbeeld"Front" aanwijzen van een confrontatie met de Pt-elektrode teller oppervlak, enzovoort.
Ongerepte Al substraat toonde ruwere oppervlakten als gevolg van mechanische polijsten, die veel soepeler is geworden na elektrolytisch polijsten procedure. Elk oppervlak van de oppervlaktegesteldheid Al substraat zag als een spiegel in de situering eruit, echter het was bedekt met onregelmatig gedistribueerde nanoschaal concaves zoals getoond in de inzet (ii) van Figuur 1a. Daarom waren niet alleen elke schoonmaak maar ook drogen behandeling ook zeer belangrijk, vanwege het feit dat oplosmiddel sporen aanzienlijk oppervlak morphologies bij procedures na elektrolytisch polijsten kunnen beïnvloeden. Zodra verslechterd, oppervlakken nooit hersteld, en de arme morphologies gehouden. In dit opzicht zou buitensporige elektrolytisch polijsten behandeling niet goed zijn ofwel. Als elektrolytisch polijsten tijd is te lang, periodiek geregeld golvende werden valleien gevormd op de gehele Al oppervlakken, die een adhesieve kracht tussen AAOs en Al zou kunnen vergroten. Een reeks van de eenheid afgebeeld door een onderbroken blauwe box getoond in Figuur 1a bestaat uit nth pre-SMSA, n, nth pre-AAOs etsen, nth main-SMSAth SRBs-detachement, en n th residuele aluminiumoxide etsen, waarbij n het nummer is van de toegepaste sequentie (n = 1, 2, 3,...).
Figuur 2 vergelijkt de - t karakteristiek curven van pre/main-SMSA en SRBs-detachement van 1st aan 5th sequenties. In beide SMSAs, het huidige niveau daalde geleidelijk met steeds meer toepassen. Deze typische kenmerken waren alleen waargenomen in een situatie van meerdere oppervlakken toeschrijven aan de geleidelijke vermindering van de totale oppervlakte van het anodiseren evenals accumulatie van mechanische belasting als gevolg van de viskeuze stroom23,58 en het volume uitbreiding23,59,60,,61,62 tijdens gelijktijdige formaties meervoud AAOs56,,57. Eerdere verslagen over deze SMSA en SRBs-detachement het stress-vrijgegeven directe ontkoppelen mechanisme voorgesteld, die verder kan worden geoptimaliseerd door middel van passende SRBs voorwaarden voor relatief dunner dikte van AAO (verwijs om te verwijzen naar57 voor meer details).
Een intuïtieve Schematische illustratie impliceert enorme producibility is met succes gerealiseerd in Figuur 3 en Figuur 4 resultaten van over totaal 5th exposeren keer iteraties van de reeks van de eenheid onder oxaalzuur en zwavelzuur zuur elektrolyt, respectievelijk. Elke foto duidelijk laat zien dat alle AAOs met exact gelijke afmetingen met die van de overeenkomstige front en back-oppervlakken (Zie de Aanvullendeinformatie voor de AAOs losgekoppeld van de zijkanten en onderkant oppervlakken). SEM beelden van de kant van de barrière van alle reeksen geven dat decollete vliegtuigen onder de oxiden van de barrière in beide zure elektrolyten, die vergelijkbare resultaten over kathodische delaminatie van een relatief dikker AAO op mono-oppervlakte50, 51. als een alternatieve benadering voor het verkrijgen van AAO met via-hole structuren (dwz., zonder barrière oxide), anodic spanning pulse detachement met behulp van een ander loskoppelen van elektrolyt7,41, 42,52,53,,54,55 of twee-laag anodisatie integratie van normale AAO in een offer vervaardigd uit zure elektrolyt van extreem hoge concentratie (12.0 M)63 kan rekening worden gehouden.
De SMSA en SRBs gebaseerde strategie lijkt te bezitten een zuur-achtige onafhankelijke aard, dus zijn verschillende voordelen en sterktes zijn waard uitbreiden naar fosforzuur elektrolyt en/of HA aandoening, die de mogelijkheden van nanoporeuze AAOs zal verrijken richting van meer veelzijdige toepassingen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Dit onderzoek werd gedeeltelijk ondersteund door de National Research Foundation van Korea (NRF) subsidie gefinancierd door de regering van Korea (MSIP) (nr. 2016R1C1B1016344 en 2016R1E1A2915664).
Acknowledgments
De auteurs hebben niets te onthullen.
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 |
References
- 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).
- 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).
- Lee, J. H., et al. Iron-gold barcode nanowires. Angew. Chem. Int. Ed. 46 (20), 3663-3667 (2007).
- Qin, L., Banholzer, M. J., Millstone, J. E., Mirkin, C. A. Nanodisk codes. Nano Lett. 7 (12), 3849-3853 (2007).
- 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).
- 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).
- 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).
- Gao, Y., et al. Three-dimensional nanotube electrode arrays for hierarchical tubular structured high-performance pseudocapacitors. Nanoscale. 8 (27), 13280-13287 (2016).
- Hu, J., et al. Dual-template ordered mesoporous carbon/Fe2O3 nanowires as lithium-ion battery anodes. Nanoscale. 8 (26), 12958-12969 (2016).
- Kim, K., et al. Externally controlled drug release using a gold nanorod contained composite membrane. Nanoscale. 8 (23), 11949-11955 (2016).
- 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).
- 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).
- Dervin, S., Dionysiou, D. D., Pillai, S. C. 2D nanostructures for water purification: graphene and beyond. Nanoscale. 8 (33), 15115-15131 (2016).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Zhang, J., Liu, X., Neri, G., Pinna, N. Nanostructured Materials for Room-Temperature Gas Sensors. Adv. Mater. 28 (5), 795-831 (2016).
- 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).
- Kim, Y., et al. Capacitive humidity sensor design based on anodic aluminum oxide. Sens. Actuators B. 141 (2), 441-446 (2009).
- 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).
- Sharma, K., Islam, S. S. Optimization of porous anodic alumina nanostructure for ultra high sensitive humidity sensor. Sens. Actuators B. 237, 443-451 (2016).
- Lee, W., Park , S. J. Porous Anodic Aluminum Oxide: Anodization and Templated Synthesis of Functional Nanostructures. Chem. Rev. 114 (15), 7487-7556 (2014).
- Keller, F., Hunter, M., Robinson, D. Structural features of oxide coatings on aluminum. J. Electrochem. Soc. 100 (9), 411-419 (1953).
- Diggle, J. W., Downie, T. C., Goulding, C. W. Anodic oxide films on aluminum. Chem. Rev. 69 (3), 365-405 (1969).
- 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).
- Thompson, G. E., Wood, G. C. Porous anodic film formation on aluminium. Nature. 290 (5803), 230-232 (1981).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Lee, W., et al. Structural engineering of nanoporous anodic aluminium oxide by pulse anodization of aluminium. Nature Nanotech. 3 (4), 234-239 (2008).
- 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).
- Schwirn, K., et al. Self-Ordered Anodic Aluminum Oxide Formed by H2SO4 Hard Anodization. ACS Nano. 2 (2), 302-310 (2008).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Masuda, H., et al. Ordered Mosaic Nanocomposites in Anodic Porous Alumina. Adv. Mater. 15 (2), 161-164 (2003).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Jessensky, O., Müller, F., Gösele, U. Self-organized formation of hexagonal pore arrays in anodic alumina. Appl. Phys. Lett. 72 (10), 1173-1175 (1998).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
