Waiting
Login processing...

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

Engineering

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

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

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

Abstract

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

Introduction

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

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

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

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

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

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

שימו לב כל עוד בנושא בטיחות נתונים הסדינים (MSDS) לפני תחילתו. למרות אופיו הידידותי לסביבה של פרוטוקול זה, מספר חומצות, המחמצנים משמשים את ההליכים המתאימים. כמו כן, השתמש כל את תקין ציוד מגן אישי (חלוק, כפפות, בטיחות משקפיים, וכו ').

1. הכנה של פתרון

הערה: לאחר האיטום של כלי המכיל פתרון, בחישה נמרצת מגנטי הוחל על כל הפתרונות בטמפרטורת החדר במהירות הדרושה.

  1. הכנה של חומצה על-כלורית פתרון
    1. לערבב 100 מ של חומצה על-כלורית (HClO 4, 60%) עם 400 מ של כוהל מוחלט (C 2 H 5 הו, 100%) יחס נפח 1 עד 4.
  2. הכנה של חומצה כרומית פתרון
    1. להתמוסס 9.0 g כרום אוקסיד (CrO 3) ו- 20.3 מ"ל חומצה זרחתית (H 3 פו 4, 85%) במים 479.7 mL יונים (ד) (CrO 3: H 3 פו 4 = 0.18 M:0.56 מ').
  3. הכנה של חומצה גופרתית אלקטרוליט
    1. מיקס 16.2 מ"ל חומצה גופרתית (H 2 אז 4, 98%) במים ד 983.8 mL וכתוצאה מכך ריכוז מולרי של 0.3 מ'
  4. הכנת אלקטרוליט חומצה אוקסלית
    1. 27.012 לפזר g נטול מים חומצה אוקסלית (C 2 H 2 O 4) ד 1 ליטר מים וכתוצאה מכך ריכוז מולרי של 0.3 מ'

2. Pretreatment של מצע Al

  1. אל עיבוד שבבי הדגימה
    1. לחתוך את הדגימה Al מטוהרים (> 99.99% טהור) לצורה מלבנית מקבילון (רוחב x גובה x עובי = 20.0 מ מ x 50.0 מ"מ x 1.0 מ"מ) עם זוויות ישרות בין כל למשטחים הסמוכים, אשר נחשבת " המצע " להלן-
    2. פולני משטחים מרובה של המצע Al מכנית בעזרת נייר זכוכית עם מספר ISO/FEPA חצץ ייעוד ראוי יותר מאשר P1000.
      הערה: ראה מידע משלים לפרטים נוספים-
  2. אלקטרופוליש בו זמנית על משטחים מרובים של המצע Al
    1. Pour משוער 350 מ ל חומצה על-כלורית אתנול פתרון לתוך הספל הז'קט כפול עם יכולת מקסימלית של 600 מ ל. לאחר מכן, לטבול ארבע חמישיות המצע Al בתוך תמיסת חומצה על-כלורית.
    2. סט הטמפרטורה של חומצה על-כלורית פתרון ±0.1 7 ° C באמצעות סירקולטור אמבט מחובר גביע כפול הז'קט.
    3. נקיים המצע Al דרך ultrasonication ב אצטון עבור 30-40 דקות, ולאחר מכן לשטוף בעזרת אצטון, D.I מים כמה פעמים כדי להסיר שאריות אורגניות של משטחי המצע באל-
    4. יבש המצע Al באמצעות רובה אוויר או חנקן (N 2) גז מכה עבור ביטול ממיסים שיורית.
      הערה: ייבוש טבעי תחת סביבות האטמוספירה לא להיות מומלץ כי עקבות הממס משפיע על ההשפעות אלקטרופוליש לרעה.
    5. להתחבר האלקטרודה עבודה המצע באל (W.E.) הנמל חיובית (+) ושל של פלטינה (Pt) מונה אלקטרודות (לספירה) ליציאת שלילי (-) של ספק כוח DC ניתן לתכנות, שימוש בקליפים התנין. המצע Al ואת Pt תיל צריכות להיות מקבילות זו לזו (ראה איור S2).
    6. החל העברה הטייה של +20.0 V W.E. אל ביחס Pt לספירה למשך 2-4 דקות בממוצע. תלוי בתנאי השטח, כגון זיהום או חספוס, הפעם הפונה יכול להישמר עד 5 דק. בדוק כל המשטחים שקוע בתוך תמיסת כדי לבדוק אם משקעים על פני לקלף, להחליק לתוך הפתרון. במהלך שלב זה, בחישה מגנטית לא מומלץ כי ביקורת קשה תחת ערבוב, הזרם פתרון עשויים להשפיע על האפקט אלקטרופוליש.
      הערה: האם לא אלקטרופוליש עבור יותר מ 5 דקות, אשר עלול להתדרדר המשטחים.
      אפשרות: הקלטת הזמן הנוכחי (אני-t) מאפייני התנהגות באמצעות ממשק PC שימושי עבור ניטור ההליך אלקטרופוליש כולל נקודות חריגה אם הם קיימים.
    7. הפסקת החלה הטיה ונתק בקליפים התנין. לאסוף את המצע Al ואת Pt אלקטרודה בקפידה מהפתרון אלקטרופוליש. לאחר מכן, להסיר הפתרון שיורית על פני המצע Al באמצעות אתנול (95%) ו- D.I המים מספר פעמים. אם אלקטרופוליש מתבצע כהלכה, ניתן לזהות משטחים סיים דמויי המראה של המצע באל (ראה איור S1 ו איור S3).
    8. לאחסן את אלקטרופוליש Al המצע אתנול (95%) עד ההליך הבא כדי למזער את התחמצנות פני.

3. ייצור מאסיבי של AAOs תחת אלקטרוליט חומצה אוקסלית

הערה: עבור AAOs עם סידור לטווח ארוך של nanopores ' תקופתיות, שימשו שני שלבים SMSAs הליך, אשר מעת לעת עם מרקם משטחים מרובה Al היו קבלת דרך pre-SMSA, ו, ראשי-SMSA נערך עבור בדיית של AAOs מוסמכים ומנוסים. יישום חוזרות של רצף יחידה יכול להמשיך לייצר AAOs ברבים, כמעט זהה עד המצע Al נשאר. " n " מציין מספר הרצף יישומית-

  1. n ה Pre-SMSA
    1. Pour משוער 650 מ ל תמיסה מימית של חומצה אוקסלית עם ריכוז מולרי של 0.3 M לתוך גביע כפול ז'קט עם יכולת מקסימלית של 1.0 ל' לאחר מכן, לטבול כשלושה רבעים של המצע Al בתוך תמיסת חומצה אוקסלית.
    2. סט הטמפרטורה של חומצה אוקסלית אלקטרוליט על ±0.1 15 ° C באמצעות סירקולטור אמבט מחובר גביע כפול הז'קט.
    3. לאסוף את אלקטרופוליש Al המצע מאתנול, ולהסיר הממס שיורית באמצעות רובה אוויר או לפוצץ גז 2 N.
    4. לחבר של אלקטרופוליש המצע באל W.E. (+) ו- Pt להעביר לספירה (-) של ספק כוח DC ניתן לתיכנות, באמצעות סרטון תנין. Al המצע וחוטים Pt צריך להיות מקבילים זה לזה. לאחר מכן, לטבול את החלק אלקטרופוליש של המצע Al לתוך חומצה אוקסלית אלקטרוליט.
      הערה: ודא שקיים די שטח (למשל, משוער 1 ס מ) בין החלק העליון של אלקטרוליט חומצי בתחתית הסרטון תנין מחובר המצע באל, אחרת קורוזיה חמורה מתרחשת במיקום קליפ מחובר תנין.
    5. להחיל אנודי הטייה של +40.0 V W.E. ביחס לספירה עבור יותר מ- 1-2 h תחת בחישה מגנטית מתונה של 100-150 סל"ד לשמירה על טמפרטורה אלקטרוליט.
      הערה: אם הזמן טרום-SMSA הוא קצר מדי, ריבוי המשטחים של המצע Al לא להיות עם מרקם כראוי.
      אפשרות: הקלטה אני-t מאפייני התנהגות באמצעות ממשק PC הוא מועיל להבנת התנהגויות אופייניות ב SMSA.
    6. עצירה החלת אנודי הטיה afטר גימור pre-SMSA, ולהתנתק בקליפים התנין. לאסוף את הדגימה בקפידה מן אלקטרוליט חומצי, ולשטוף את pre-SMSAed Al המצע באמצעות אצטון ומים D.I כמה פעמים.
  2. n ה Pre-AAOs תצריב
    1. לקבוע את הטמפרטורה של תמיסה מימית של חומצה כרומית ב 60-65 מעלות צלזיוס.
    2. המצע Immerse pre-SMSAed Al בתוך תמיסת חומצה כרומית במשך 1-2 h כדי להסיר טרום-AAOs על המצע באל-
    3. יש לשטוף טרום-AAOs להסיר Al המצע עם אצטון ומים ד כמה פעמים. למדוד את ההתנגדות של המצע באל כדי לאשר אם טרום-AAOs הוסרו לחלוטין על פני השטח. אם לא, חזור על הפעולות איכול שוב (שלב 3.2.2).
  3. n ה Main-SMSA
    1. להגדיר מחדש כל התנאים ניסיוני והקשרים שנעשה בהן שימוש בשלב 3.1.
      הערה: חשוב לציין כי חומצה אוקסלית אלקטרוליט ניתן להשתמש כמה קטעים, זה אינה משפיעה את האיכויות של הראשי-AAOs. עם זאת, להשוואות כמותיות, מומלץ כי-האלקטרוליט הוא שימוש ברצף כל אחד, ואז להחליף עם מישהו חדש.
    2. חלות אנודי הטייה של +40.0 V W.E. ביחס לספירה; החלת הזמן יכולים להיות מגוונים בהתאם לעובי AAO רצוי. שיעור הצמיחה AAO הוערך להיות בערך 8.0 7.5 μm/h בחזית, בחזרה משטח של המצע Al בטמפרטורה אלקטרוליט של 15 מעלות, בהתאמה (עיין להפנות 57 לפרטים נוספים).
  4. n ה SRBs-ניתוק
    1. להפסיק החלה הטיה אנודי של ערבוב לאחר שסיים את הראשי-SMSA, ולחבר את הראשי-SMSAed Al המצע לספירה (-), Pt להעביר W.E. (+) של ה-DC ניתן לתכנות ספק כוח על ידי מיתוג כל סרטון תנין.
    2. להחיל את SRBs, לבחון תופעות מבעבע טיפוסי לאורך לקצוות מרובה של המצע Al מכוסה הראשי-AAOs. פרטים על תנאי SRBs, כגון עוצמת RB התחלה, מספר מדרגות, ואת משך מדרגה, הם מקרוב בקורלציה עם העובי של ראשי-AAOs. עבור ראשי-AAOs עבה יותר 60 μm, נשלטה מדרגות ב SRBs מ-21 V כדי עשרים וארבע V עם התוספת של-1 V, ללא מרווח הזמן בין המדרגות הסמוך. משך-21 V,-22 V ו-23 V היה קבוע ב- 10 דקות, המדרגה הסופית של עשרים וארבע V ונשתמרה עד ההליך התולש הושלמה (ראה התייחסות 57 לפרטים נוספים, כולל המקרה של מדלל AAOs).
      הערה: מומלץ מאוד למתחילים לנצל PC לממשק השליטה SRBs ולהקליט את אני-t עקומות אופיינית במהלך הליך זה.
    3. תפסיק החלת SRBs לאחר הניתוק, ונתק בקליפים התנין. לאסוף את הדגימה בקפידה מן אלקטרוליט חומצי, לשטוף אותם היטב עם אצטון ומים D.I מספר מספיק של פעמים.
    4. נפרדים לכל AAO ממשטח Al התואם לחלוטין. מיד אחרי שלב 3.4.3, חלקים עליונים של AAOs תלוש עדיין קשורים המצע באל, אשר אמור להיות שבור באופן ידני.
  5. n th אלומינה שיורית תצריב
    1. השוכן הטמפרטורה של פתרון חומצה כרומית 60-65 מעלות צלזיוס, לטבול את המצע Al מנותק-AAOs במשך כ 30 דקות לסלק שאריות אלומינה.
      2. המצע
    2. לאסוף מלאכותית חרוט, ולאחר מכן לשטוף עם אצטון, ד מים מספר פעמים. למדוד את ההתנגדות לאשר הסרה מלאה של אלומינה שיורית. אם לא, חזור על שלב 3.5.2.
  6. n + 1 th רצף
    1. עבור לשלב 3.1, וחזור את הרצף כולו באמצעות המצע Al שיורית נחרטו אלומינה.

4. ייצור מאסיבי של AAOs תחת אלקטרוליט חומצה גופרתית

הערה: בסעיף זה, תנאים בבירור שונים מאלה בשלב 3 הם הצביע.

  1. n ה Pre-SMSA
    1. Pour משוער 650 מ ל תמיסה מימית של חומצה גופרתית (0.3 M) לתוך גביע כפול ז'קט עם יכולת מקסימלית של 1.0 ל' לאחר מכן, בערך שלושה רבעים של המצע באל הוא שקוע בתוך תמיסת חומצה גופרתית.
    2. הגדר את הטמפרטורה של האלקטרוליט על ±0.1 0 ° C.
    3. הסר את הממס שיורית על אלקטרופוליש Al המצע באמצעות רובה אוויר או N 2 גז מכה, וחבר את המצע באל על ספק כוח DC לתכנות באמצעות סרטונים אליגטור (עיין לשלב 3.1.4)
    4. החל אנודי משוא הפנים של +25.0 V כדי W.E. ביחס לספירה עבור יותר מ- 1-2 h תחת בחישה מגנטית בינונית (100-150 סל ד).
    5. Quit החלת הטיה אנודי אחרי גמר טרום-SMSA, ולהתנתק בקליפים התנין. לאסוף ולשטוף את pre-SMSAed Al המצע באמצעות אצטון ומים D.I כמה פעמים.
      הערה: עבור n ה Pre-AAOs תצריב קו, להפנות שלב 3.2.
  2. n ה Main-SMSA
    1. להגדיר מחדש כל התנאים ניסיוני והקשרים שנעשה בהן שימוש בשלב 4.1.
    2. להחיל הטיה אנודי אותו. החלת הזמן יכולים להיות מגוונים בהתאם עובי AAO רצוי. שיעור הצמיחה AAO נאמדת על 5.3 μm h (עיין להפנות 56 לפרטים נוספים).
  3. n ה SRBs-ניתוק
    1. לפרוש החלה הטיה אנודי של ערבוב לאחר שסיים את הראשי-SMSA, ולחבר את הראשי-SMSAed Al המצע לספירה (-), Pt להעביר W.E. (+) של כוח DC ניתן לתכנות אספקה בהחלפת כל סרטון תנין.
    2. החל SRBs, ולבדוק אפקטים מבעבע טיפוסי לאורך לקצוות מרובה של המדגם. מדרגות ב SRBs נשלטה מ-15 V ל-17 V עם התוספת של-1 V, ללא מרווח הזמן בין המדרגות הסמוך. משך-15 V ו-16 V היה קבוע ב- 10 דקות, המדרגה הסופית של-17 V ונשתמרה עד ההליך התולש הושלמה.
      הערה: על סמך העדין יותר של AAOs מפוברק תחת חומצה גופרתית אלקטרוליט, לרמה הנוכחית בפתאומיות הוגדל ברגעים התולש בליווי צלילים לחיצה מורגש.
    3. התפטר החלת את SRBs לאחר הניתוק, ונתק בקליפים התנין. לאסוף את הדגימה בקפידה מן אלקטרוליט חומצי, לשטוף היטב עם אצטון ומים D.I מספר מספיק של פעמים.
    4. להפריד בין כל AAO מהמשטח Al המתאימים מכנית על ידי שבירת החלקים העליונים של AAOs מנותק-
      הערה: עבור n th אלומינה שיורית איכול מתייחסים לשלב 3.5.
  4. n + 1 th רצף
    1. עבור לשלב 4.1, וחזור את הרצף כולו באמצעות המצע Al שיורית נחרטו אלומינה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

תרשים זרימה של nth AAO בדיית רצף המורכב בעיקר שני שלבים SMSAs, SRBs-פלוגה, והתייחסו צריבה כימית הוצגה סכמטי איור 1a. כל שיבוץ להראות תמונת מיקרוסקופ אלקטרונים סריקה (SEM) של המורפולוגיה השטח המתאים כל הליך בודדות, תצלום שצולם מיד לאחר SRBs-ניתוק. איור סכמטי לאחר חזרהth 5 הכולל על הרצף יחידת הציג את היתרונות של SMSA ו- SRBs מבוססי אסטרטגיות (איור 1b). אני-t אופייני של טרום ופיתולים המרכזית-SMSAs עד הרצפיםth 5 הושוו ב איור 2a ו- 2b איור, בהתאמה. השוואה של אני-t עקומות האופיינית של כל הליך ניתוק SRBs מוצגים באיור 2 c. צילום ותמונות SEM המקביל של הראשי-AAOs המתקבל משטחים קדמית ואחורית תחת אוקסלית, חומצה גופרתית אלקטרוליטים מוצגים באיור 3 , איור 4, בהתאמה.

Figure 1
איור 1 :  n th תהליכי ייצור AAOs (n = 1, 2, 3...). תרשים זרימה () מפרטים טכניים כולל תמונות SEM המתאימה ב- nAAOsth בדיית רצף: (i) וטהור אל המצע, (ii) אלקטרו ליטוש, (iii) nה pre-SMSA, (iv) nth קדם-AAOs תצריב קו, ראשיה n(v)-SMSA, (vi) nה SRBs-ניתוק, (vii) nth אלומינה שיורית תחריט. רצף יחידת תוארה באמצעות תיבת מקווקו כחול. (b) מפרטים טכניים איור המציג את זה ברבים AAOs עם ממדים שווים של משטחים המתאימים התקבלו בהצלחה מרובה משטחים של צלחת באל יחיד דרךth 5 יישומים חוזרות של הרצף יחידה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 2
איור 2 : התנהגויות משונות במהלך דו-שלבי SMSAs, SRBs-detachments של AAOs תחת חומצה אוקסלית אלקטרוליט בגיל 15 מעלות צלזיוס -T אופייני של () קדם ופיתולים (b) המרכזית-SMSAs 1סנט ל- 5th רצף, בהתאמה. (ג) - t עקומות האופיינית של ניתוק SRBs נהלים מ 1סנט רצפיה 5. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 3
איור 3 : תצלום של הנותרים באל המצע, ראשי-AAOs לאחר 5 th יישומים חוזרות של הרצף יחידה תחת חומצה אוקסלית אלקטרוליט. AAOs המתקבל הקדמי, האחורי משטחים היו מכובדים על ידי תיבות מקווקו אדום, כחול, בהתאמה. כניסות: נקבובית פתוחה ומכשול בצד SEM תמונות של המתאים 1סנט כדי הראשיth 5-AAOs.... אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 4
איור 4 : תצלום של הנותרים באל המצע, ראשי-AAOs לאחר 5תאנון יישומים חוזרות של הרצף יחידה תחת חומצה גופרתית אלקטרוליט. AAOs המתקבל הקדמי, האחורי משטחים היו מכובדים על ידי תיבות מקווקו אדום, כחול, בהתאמה. כניסות: נקבובית פתוחה ומכשול בצד SEM תמונות של המתאים 1סנט כדי הראשיth 5-AAOs.... אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

מידע משלים: אנא לחץ כאן כדי להוריד את הקובץ.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

בנייר זה, אנחנו הפגינו בהצלחה תשואה גבוהה, נתיישב, ושיטת לסביבה נקייה כדי לבדות nanoporous AAOs דרך SMSA ו SRBs-פלוגה, אשר יכול לחזור אל המצע Al באותו לשיפור משמעותי mass-producibility כמו כמו השימושיות של משאבים טבעיים מוגבלת. כפי שמוצג בתרשים זרימה של איור 1a, האסטרטגיה שמפברק שלנו AAO מבוסס על anodization שני שלבים קונבנציונאלי, אשר שונתה על משטחים מרובי מצב. הליכים נפרדים פעלו היטב עצמאית של משטחים אחרים, כי שדות חשמליים בהליכים SMSAs אלקטרופוליש, שני שלבים נוצרו בכיוונים נורמלי על משטחים מרובות, שבו מתרחשת התגובה אלקטרוכימי בעת ובעונה אחת. בנקודת מבט זו, המיקום של AAO בכל השטח, המתאימים יוגדרו ביחס האלקטרודה מונה, כפי שמוצג באיור 1b; למשל, "קבלה" לייעד משטח עימות עם האלקטרודה מונה Pt, וכן הלאה.

המצע Al וטהור הראה משטחים קשה יותר עקב ליטוש מכני, אשר הפכה נהדר לאחר תהליך אלקטרופוליש. כל השטח של אלקטרופוליש המצע Al נראה כמו מראה macroscale, עם זאת, זה היה מכוסה הננומטרי ומתפשטים מבוזרת concaves כפי שמוצג שיבוץ (ii) של איור 1a. לכן, כל ניקוי אלא גם ייבוש הטיפול היו גם מאוד חשוב, בשל העובדה כי שאריות ממס יכול להשפיע באופן משמעותי על פני השטח מורפולוגיות בהליכים לאחר אלקטרופוליש. ברגע התדרדר, משטחים מעולם לא התאושש, המשיך את מורפולוגיות המסכן. בהקשר זה, טיפול אלקטרופוליש מוגזמת לא יהיה טוב גם. אם אלקטרופוליש זמן רב מדי, מעת לעת מסודר גליים העמקים נוצרו על משטחים Al כולו, אשר יכול להגביר את עוצמת דבק בין AAOs באל. רצף יחידת המתואר ע י קופסה מקווקו כחול באיור איור 1a מורכב nה pre-SMSA nה pre-AAOs תצריב, nה main-SMSA, nה SRBs-ניתוק, ו- n th אלומינה שיורית לתחריט, כאשר n הוא מספר של הרצף יישומית (n = 1, 2, 3,...).

איור 2 משווה - t אופייני העקומות של טרום/ראשי-SMSA ו SRBs-ניתוק מן 1סנט כדי רצפיםth 5. ב- SMSAs שני, רמת הנוכחית ירד בהדרגה עם הגדלת זמן החלה. אלה תכונות אופייניות נצפו רק במצב ריבוי המשטחים וייחסו ההפחתה ההדרגתית של שטח אילגון לפרופילי אלומיניום, כמו גם הצטברות של מכני מדגישה עקב זרימה צמיגה23,58 נפח הרחבת23,59,60,61,62 במהלך תצורות סימולטני של AAOs ברבים56,57. בדו"חות קודמים אלה SMSA, SRBs-ניתוק הציע שפורסמו מתח ישיר התולש מנגנון, אשר יכול ניתן למטב נוסף באמצעות תנאים מתאימים SRBs עבור עובי דק יחסית של AAO (עיין להפנות57 עבור פרטים נוספים).

איור סכמטי אינטואיטיבי רומז producibility מסיבי בהצלחה הבינה איור 3 ו- 4 איור מציג תוצאות על סך 5th פעמים חזרות של הרצף יחידה תחת אוקסלית וחומצה גופרתית אלקטרוליט, בהתאמה. כל התמונה מראה בבירור כי כל AAOs שיש בדיוק שווה מידות לאלה של החזית המתאימים ובחזרה משטחים (ראו מידע משלים AAOs מנותקת הצדדים ומשטחים בתחתית). תמונות SEM בצד המחסום על כל רצפי לציין כי מטוסים המחשוף פועלות מתחת תחמוצות מכשול הן אלקטרוליטים חומצי, אשר תוצאות דומות על delamination cathodic של AAO יחסית עבה מונו-פני50, 51. כגישה חלופית להשגת AAO במבנים דרך חור (כלומר., ללא מחסום אוקסיד), מתח אנודי הדופק ניתוק משתמש אחר ניתוק אלקטרוליט7,41, 4255 54,53,52,,או anodization דו שכבתי שילוב AAO נורמלי אחד ההקרבה מפוברק מן אלקטרוליט חומצי של גבוהה מאוד ריכוז (12.0 ז)63 עשויים להילקח בחשבון.

SMSA ואת אסטרטגיה מבוסס SRBs מופיע בעל אופי עצמאי מסוג חומצה, לכן, יתרונותיו, עוצמות שונות שווים מרחיבים אלקטרוליט חומצה זרחתית ו/או תנאי HA, המעשיר את הפוטנציאליות של nanoporous AAOs לכיוון יישומים מגוונים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

מחקר זה נתמך בחלקה על ידי המענק הלאומי מחקר קרן של קוריאה (NRF) ממומן על ידי ממשלת קוריאה (MSIP) (מס 2016R1C1B1016344 ו- 2016R1E1A2915664).

Acknowledgments

המחברים אין לחשוף.

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

הנדסה גיליון 128 anodizations משטחים מרובה בו זמנית כמו מדרגות הפוך הטיות ניתוק ישיר אנודי תחמוצת אלומיניום ייצור המוני טכנולוגיה ירוקה
Anodizations רב השטח בו זמנית ולהתנתקות הטיות הפוכה כמו מדרגות של אנודי אלומיניום תחמוצות ב גופרתית, חומצה אוקסלית אלקטרוליט
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