Waiting
Login processing...

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

Engineering

Samtidige multi overflate Anodizations og trapp-lignende omvendt Biases avdeling av Anodic aluminium oksider i Sulfuric og oksalsyre elektrolytt

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 protokoll for fabrikasjon nanoporous anodic aluminium oksider via samtidige flere overflater anodization etterfulgt av trapp-lignende omvendt biases detachments presenteres. Det kan brukes gjentatte ganger til samme aluminium underlaget, viser en lettvinte, høy yield og miljømessig ren strategi.

Abstract

Etter rapportering i two-step anodization, har nanoporous anodic aluminium oksider (AAOs) blitt mye utnyttet innen allsidig grunnleggende vitenskap og industrielle applikasjoner på grunn av deres periodiske arrangement av nanopores med relativt høy størrelsesforhold. Men teknikkene rapportert så langt som kan bare være gyldig for mono-overflate anodization, vise kritiske ulemper, dvs, tidkrevende, samt kompliserte prosedyrer, krever giftige kjemikalier, og sløse verdifulle naturressurser . I dette papiret viser vi en lettvinte, effektiv og miljøvennlig ren metode for å dikte nanoporous AAOs i sulfuric og oxalic syre elektrolytter, som kan overvinne begrensningene som følge av konvensjonelle AAO fabrikere metoder. Første, flertall AAOs produseres samtidig gjennom samtidige flere overflater anodization (SMSA), som angir mass-producibility for AAOs med tilsvarende egenskaper. Andre kan de AAOs skilles fra aluminium (Al) underlaget ved å bruke trapp-lignende omvendt biases (SRBs) i samme elektrolytt brukes for SMSAs, antyde enkelhet og grønn teknologiske egenskaper. Til slutt, en enhet sekvens bestående av SMSAs sekvensielt kombinert med SRBs-baserte avdeling kan brukes gjentatte ganger på samme Al underlaget, som forsterker fordelene med denne strategien og også garanterer for effektiv bruk av naturressurser.

Introduction

AAOs som ble dannet ved anodisering Al underlaget i en syrlig elektrolytt, har tiltrukket seg stor interesse for ulike grunnleggende vitenskap og industri, for eksempel hard maler for nanorør/nanowires1,2,3 , 4 , 5, energi lagring enheter6,7,8,9, bio-sensing10,11, filtrering programmer12,13 , 14masker fordamper og/eller etsing15,16,17og kapasitive fuktighet sensorer18,19,20,21 ,22, på grunn av deres selv bestilt honeycomb struktur, høy størrelsesforholdet nanopores og førsteklasses mekaniske egenskaper23. For å bruke nanoporous AAOs for disse ulike programmer, bør de være frittstående skjemaer med en svært og langtrekkende bestilte rekke nanopores. I denne forbindelse, må strategier for å få AAOs vurdere både dannelse (anodisering) og separasjon (koble) prosedyrer.

Synspunktet til AAO dannelsen var mild anodization (heretter kalt MA) godt etablert under sulfuric, oxalic og phosphoric surt elektrolytter23,24,25,26 ,27. Imidlertid utstilt MA prosesser lav-gir av AAO fabrikasjon på grunn av deres langsom vekst avhengig av relativt lav intensitet av anodic spenninger, som vil ytterligere svekkes gjennom en prosess for å forbedre nanopores' periodisitet28 MA ,29. Dermed ble hardt anodization (HA) teknikker foreslått som alternativer til MA ved å bruke høyere anodic spenninger (oxalic/sulfuric syre elektrolytt) eller mer konsentrert elektrolytt (fosforsyre)30,31, 32,33,34,35,36,37,38,39,40. HA viser prosesser forskjellige forbedringer av vekst samt periodiske ordninger, mens resulterer AAOs ble mer skjøre og tetthet av nanopores ble redusert30. I tillegg er en dyre kjølesystemet nødvendig for spredendedesign joules oppvarming skyldes høy nåværende tetthet31. Disse resultatene begrenser potensialet anvendelighet av AAOs via HA prosesser.

For å skille en AAO fra tilsvarende overflaten av Al plate, ble selektiv kjemisk etsing av gjenværende Al underlaget mest benyttet i både MA og HA prosesser bruker giftige kjemikalier, som kobber klorid35,39 ,41,42 eller kvikksølv klorid16,17,43,44,45,46, 47 , 48 , 49. imidlertid denne metoden medfører ufordelaktig bivirkninger, f.eks, en lengre reaksjonstid proporsjonal med gjenværende tykkelsen på Al, forurensning av AAO av heavy metal ioner, skadelige rester til menneskelig kropp/natur miljøer , og ineffektiv bruk av verdifulle ressurser. Derfor har mange forsøk blitt gjort for å realisere direkte avdeling av en AAO. Selv om både Katodisk spenning delaminering50,51 og anodic spenning puls avdeling7,41,42,52, 53,54,55 presentere en fortjeneste som gjenværende Al underlaget kan gjenbrukes, tidligere teknikken tar nesten sammenlignbare tid med de i kjemisk etsing metoder50. Til tross for reduksjon behandlingstiden, ble skadelig og svært reaktive kjemikalier, for eksempler butanedione og/eller perchloric acid, brukt som frakobling elektrolytter i den sistnevnte teknikker55, der en ekstra rengjøring prosedyren er nødvendig på grunn av skiftende elektrolytt mellom anodiserings og detaching prosedyren. Spesielt påvirke detaching atferd og kvaliteten på de frittstående AAOs alvorlig tykkelsen. Ved AAO med relativt tynnere tykkelse inneholde en frittstående sprekker og/eller åpninger.

Alle de eksperimentelle tilnærmingene ovenfor er brukt på en "single-overflaten" av Al prøven, unntatt overflaten beskytte/engineering formål, og denne funksjonen av konvensjonell teknologi utstillinger kritiske begrensningene for AAO fabrikasjon i form av avkastning, samt processibility, som også påvirker potensialet anvendelighet av AAOs56,57.

For å tilfredsstille økende krav i feltene AAO-relaterte lettvinte, høy yield og grønne teknologiske tilnærminger, rapportert vi tidligere på SMSA og direkte løsgjøring gjennom SRBs under sulfuric56 og oxalic57 acid elektrolytt, henholdsvis. Det er et velkjent faktum at flertall AAOs kan dannes på flere overflater av Al underlaget nedsenket i surt elektrolytter. Imidlertid aktivere SRBs, en nøkkel skille av våre metoder, brøkdel av disse AAOs fra tilsvarende flere overflater av Al underlaget i samme Sure elektrolytt brukes for SMSAs som angir masse-produksjon, enkelhet og grønn teknologiske egenskaper. Vi ønsker å påpeke at SRBs-baserte avdeling er en optimal strategi for flertall AAOs fremstille SMSAs56,57 og enda gyldige for relativt tynnere tykkelser på AAOs57 sammenlignet med Katodisk delaminering (dvs., konstant omvendt bias) på enkelt-overflate 51. Til slutt, en enhet sekvens bestående av SMSAs sekvensielt kombinert med SRBs-baserte avdeling kan brukes gjentatte ganger på samme Al underlaget, unngå kompliserte prosedyrer og giftig/reaktive kjemikalier som forsterker fordelene våre strategier og garanterer også for effektiv bruk av naturressurser.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Vær oppmerksom på alle de relaterte materialer Produktdatablad (MSDS) før du begynner. Til tross for miljøvennlig natur denne protokollen brukes noen syrer og oksidanter i tilsvarende prosedyrene. Også bruke alle riktig personlig beskyttende utstyr (laboratoriefrakk, hansker, vernebriller, etc.).

1. forberedelse av løsning

Merk: etter fullført tetting løsning inneholder fartøy, energisk magnetiske omrøring ble brukt på alle løsningene ved romtemperatur i tilstrekkelig tid.

  1. Utarbeidelse av perchloric acid løsning
    1. blande 100 mL perchloric acid (HClO 4, 60%) med 400 mL absolutt etanol (C 2 H 5 OH, 100%) i 1 til 4 volumkontrollen.
  2. Utarbeidelse av chromic acid løsning
    1. oppløsning 9.0 g chromic oksid (CrO 3) og 20,3 mL fosforsyre (H 3 PO 4, 85%) i 479.7 mL vaskebuffer (di) vann (CrO 3: H 3 PO 4 = 0,18 M:0.56 M).
  3. Utarbeidelse av svovelsyre elektrolytt
    1. Mix 16.2 mL svovelsyre (H 2 SO 4, 98%) i 983.8 mL di vann som resulterer i molar konsentrasjon av 0,3 M.
  4. Utarbeidelse av oksalsyre elektrolytt
    1. oppløse 27.012 g vannfri oksalsyre (C 2 H 2 O 4) i 1 L di vann som resulterer i molar konsentrasjon av 0,3 M.

2. Forbehandling av Al substratet

  1. maskinering Al prøven
    1. kutt renset Al prøven (> 99,99% ren) i rektangulære Parallellepiped form (bredde x høyde x tykkelse = 20,0 mm x 50.0 x 1.0 mm) med rett vinkel mellom alle tilstøtende flater, som er kalt " substrat " heretter.
    2. Polsk flere overflater av Al underlaget mekanisk bruker sandpapir med riktig ISO/FEPA grus betegnelse antallet mer enn P1000.
      Merk: Se Tilleggsinformasjon for mer detaljer.
  2. Samtidige electropolishing på flere overflater av Al underlaget
    1. hell omtrentlig 350 mL perchloric syre etanol løsning i dobbel jakke beaker med maksimal kapasitet på 600 mL. Deretter dyppe fire femtedeler av Al underlaget i perchloric syre løsning.
    2. Sett temperaturen på perchloric syre løsning på 7 ±0.1 ° C med en bad Sirkulator koblet til en dobbel jakke beaker.
    3. Rene Al underlaget gjennom ultrasonication i aceton for 30-40 minutter, og skyll med aceton og D.I vann noen ganger fjerne organiske rester på overflater av Al underlaget.
    4. Tørr Al underlaget med luft-gun eller nitrogen (N 2) gass slag for å fjerne gjenværende løsemidler.
      Merk: Naturlige tørking under atmosfæriske miljøer være anbefales ikke fordi løsemiddel spor påvirker electropolishing effektene negativt.
    5. Koble Al substrat arbeider elektroden (We) til den positive (+)-porten og platina (Pt) wire counter elektroden (C.E.) til negative (-)-porten på programmerbare DC strømforsyning, bruke alligator klipp. Al substrat og Pt wire skal være parallelle med hverandre (se Figur S2).
    6. Bruk videresende skjevhet av +20.0 V til Al-We forhold til Pt CE i 2-4 minutter i gjennomsnitt. Avhengig av overflaten tilstand, som forurensning eller ruhet, kunne bruke tiden opprettholdes opptil 5 min. inspisere alle overflater nedsenket i løsningen å sjekke om rester på overflaten løsner og skyv ned på løsningen. I dette trinnet, magnetiske omrøring anbefales ikke fordi inspeksjon er vanskelig under omrøring, og løsningen strømmen kan påvirke electropolishing effekten.
      Merk: Gjør ikke electropolish for mer enn 5 min, som kan forverres overflater.
      Alternativ: Innspillingen gjeldende tidspunkt (jeg-t) egenskaper via PC-grensesnitt er hjelpsom for avlytting electropolishing prosedyren medregnet unormal elementmaler.
    7. Slutte å bruke bias og koble alligator klipp. Plukke opp Al substrat og Pt elektrode nøye fra electropolishing løsning. Deretter Fjern rester løsning på overflaten av Al underlaget med etanol (95%) og D.I vann et par ganger. Hvis electropolishing utføres riktig, speilblanke ferdig overflater av Al underlaget kan identifiseres (se Figur S1 og Figur S3).
    8. Lagre electropolished Al underlaget i etanol (95%) til neste fremgangsmåte for å minimere overflaten oksidasjon.

3. Massive fabrikasjon av AAOs under oksalsyre elektrolytt

Merk: For AAOs med en langtrekkende arrangement av nanopores ' periodisitet, totrinns SMSAs prosedyren ble brukt, som jevnlig teksturert Al flere overflater var å få gjennom pre-SMSA, og deretter main-SMSA ble gjennomført for fabrikasjon av høyt kvalifiserte AAOs. Repeterende program av en enhet kan holde produsere flertall og nesten identisk AAOs til Al underlaget gjenstår. " n " angir antall anvendt sekvensen.

  1. n th Pre-SMSA
    1. hell omtrentlig 650 mL av oksalsyre vandig løsning med molar konsentrasjon av 0,3 M i en dobbel jakke beaker med maksimale kapasitet av 1.0 L. Deretter dyppe omtrent tre fjerdedeler av Al underlaget i oksalsyre løsningen.
    2. Sett temperaturen på oksalsyre elektrolytt på 15 ±0.1 ° C med en bad Sirkulator koblet til en dobbel jakke beaker.
    3. Plukke opp electropolished Al substrat fra etanol og fjerne gjenværende løsemiddelet bruker en luft-gun eller N 2 gass slag.
    4. Koble electropolished Al substrat We (+) og Pt wire til C.E. (-) med programmerbare DC strømforsyning med en alligator klipp. Al substrat og Pt wire skal være parallelle med hverandre. Deretter dyppe den electropolished delen av Al underlaget i oksalsyre elektrolytt.
      Merk: Kontroller at plass (f.eks, ca 1 cm) finnes mellom toppen av Sure elektrolytten og bunnen av alligator klipp koblet til Al underlaget, ellers alvorlig korrosjon oppstår ved alligator klipp koblet plassering.
    5. Gjelder anodic skjevhet av +40.0 V for We forhold til C.E. for mer enn 1-2 h under moderat magnetiske omrøring på 100-150 rpm for å opprettholde elektrolytt temperatur.
      Merk: Hvis Pre-SMSA tiden er for kort, flere overflater av Al underlaget vil ikke være teksturert riktig.
      Alternativ: Opptak jeg-t egenskaper atferd via PC-grensesnitt er nyttig for å forstå typisk opptreden i SMSA.
    6. Stopp å bruke anodic skjevhet after etterbehandling pre-SMSA, og koble alligator klipp. Plukke opp utvalget nøye fra surt elektrolytt, og skyll den pre-SMSAed Al underlaget med aceton og D.I vann et par ganger.
  2. n th Pre-AAOs etsing
    1. sette temperaturen på chromic sur vandig løsning ved 60-65 ° C.
    2. Immerse pre-SMSAed Al substrat chromic acid løsning for 1-2 h fjerne pre-AAOs på Al underlaget.
    3. Skyll de pre-AAOs fjernet Al underlaget med aceton og di vann et par ganger. Måle motstanden i Al underlaget å bekrefte om pre-AAOs har fjernet på overflaten. Hvis ikke, gjenta etsing igjen (trinn 3.2.2).
  3. n th Main-SMSA
    1. re-sette opp alle eksperimentelle forhold og forbindelser som brukes i trinnet 3.1.
      Merk: Det bør bemerkes at oksalsyre elektrolytt kan brukes i et par sekvenser, og dette påvirker ikke kvaliteter av main-AAOs. Men for kvantitative sammenligninger, anbefales det at elektrolytt er brukt i en hel sekvens, og deretter utvekslet med en frisk.
    2. Gjelder anodic skjevhet av +40.0 V We forhold til C.E.; bruke tid kan endres avhengig av ønsket tykkelse på AAO. AAO veksten var anslått til om lag 8.0 og 7.5 μm/t foran og tilbake overflaten av Al underlaget ved elektrolytt temperatur 15 ° c, henholdsvis (se referanse 57 for mer informasjon).
  4. n th SRBs-avdeling
    1. slutte å bruke anodic bias og stirring etter main-SMSA, og koble den viktigste-SMSAed Al substrat C.E. (-) og Pt wire til We (+) av programmerbare FM strømforsyning ved å bytte hver alligator klipp.
    2. Bruk av SRBs og inspisere typisk boblende effekter langs flere kantene av Al underlaget dekket med hoved-AAOs. Detaljer om SRBs vilkår, for eksempel intensiteten i begynnelsen RB, trapper og varighet i hver trapp, er nært korrelert med tykkelsen på main-AAOs. For main-AAOs tykkere enn 60 μm, ble trapp i SRBs styrt fra-21 V til-24 V med tilvekst-1 V og uten tidsintervallet mellom tilstøtende trapper. Varigheten for-21 V,-22 V og-23 V var fast på 10 min og endelige trappen av-24 V ble opprettholdt til detaching prosedyren fullført (se referanse 57 for mer informasjon inkludert tilfelle tynnere AAOs).
      Merk: Det anbefales sterkt for en nybegynner å utnytte PC tilkobles kontroll over SRBs og registrere det jeg-t Egenskapskurver under denne prosedyren.
    3. Avslutt bruke SRBs etter endt brøkdel, og koble alligator klipp. Plukk opp utvalget nøye fra surt elektrolytt og skylle dem nøye med aceton og D.I vann et tilstrekkelig antall ganger.
    4. Separat hver AAO fra tilsvarende Al overflate helt. Rett etter trinn 3.4.3, øvre delene av de frittstående AAOs er fremdeles koblet til Al underlaget, som bør være manuelt brutt.
  5. n th gjenværende alumina etsing
    1. satt temperaturen på chromic acid løsning ved 60-65 ° C, og fordype AAOs rekkehus Al underlaget i ca 30 min å fjerne gjenværende alumina.
    2. Plukke opp etset Al substrat, og skyll med aceton og di vann et par ganger. Måle motstanden for å bekrefte fullstendig fjerning av rester alumina. Hvis ikke, gjentar du trinn 3.5.2.
  6. n + 1 th sekvensen
    1. gå til trinn 3.1, og gjenta hele sekvensen med gjenværende alumina-etset Al underlaget.

4. Massive fabrikasjon av AAOs under svovelsyre elektrolytt

Merk: I denne delen, klart forskjellig forhold fra i trinn 3 er påpekt.

  1. n th Pre-SMSA
    1. hell omtrentlig 650 mL av svovelsyre vandig løsning (0,3 M) i en dobbel jakke beaker med maksimale kapasitet av 1.0 L. Da omtrent tre fjerdedeler av Al underlaget er nedsenket i svovelsyre løsningen.
    2. Still inn temperaturen på elektrolytten på 0 ±0.1 ° C.
    3. Fjern gjenværende løsemiddelet på electropolished Al substrat bruker en luft-gun eller N 2 gass slag, og koble Al underlaget en programmerbar DC strømforsyning med alligator klipp (se trinn 3.1.4)
    4. Bruk anodic skjevhet av +25.0 V til We forhold til C.E. for mer enn 1-2 h under moderat magnetiske omrøring (100-150 rpm).
    5. Avslutt bruke anodic bias etterbehandling pre-SMSA og koble alligator klipp. Plukke opp og skyll den pre-SMSAed Al underlaget med aceton og D.I vann et par ganger.
      Merk: For n th Pre-AAOs etsing, se trinn 3.2.
  2. n th Main-SMSA
    1. re-sette opp alle eksperimentelle forhold og forbindelser som brukes i trinnet 4.1.
    2. Bruke samme anodic bias. Bruke tid kan endres avhengig av ønskelig AAO tykkelse. AAO veksten var anslått til ca 5,3 μm/t (se referanse 56 for mer informasjon).
  3. n th SRBs-avdeling
    1. slutte å bruke anodic bias og stirring etter main-SMSA, og koble den viktigste-SMSAed Al substrat C.E. (-) og Pt wire til We (+) med programmerbare likestrøm syningen ved bytte hver alligator klipp.
    2. Bruke SRBs, og inspisere typisk boblende effekter langs flere kantene av prøven. Trapp i SRBs ble styrt fra V -15 til V -17 med tilvekst-1 V og uten tidsintervallet mellom tilstøtende trapper. Varigheten for V -15 og V -16 var fast på 10 min og endelige trapp av V -17 ble opprettholdt til detaching prosedyren fullført.
      Merk: Basert på mer skjøre natur AAOs fabrikkert under svovelsyre elektrolytt, gjeldende ble brått økt detaching øyeblikk sammen med merkbar klikke lyder.
    3. Avslutt bruke SRBs etter endt brøkdel, og koble alligator klipp. Plukk opp utvalget nøye fra surt elektrolytten og skyll nøye med aceton og D.I vann et tilstrekkelig antall ganger.
    4. Skille hver AAO fra tilsvarende Al overflaten mekanisk ved å bryte de øvre delene av som-enebolig AAOs.
      Merk: For n th gjenværende alumina etsing refererer til trinn 3.5.
  4. n + 1 th sekvensen
    1. gå til trinn 4.1, og gjenta hele sekvensen med gjenværende alumina-etset Al underlaget.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Flytdiagram for nth AAO fabrikasjon sekvens hovedsakelig bestående av to-trinns SMSAs, SRBs-avdeling, og relaterte kjemisk etsing ble presentert skjematisk i figur 1a. Hver innfelt viser et scanning elektron mikroskop (SEM) bilde av tilsvarende overflaten morfologi hver individuelle prosedyre og et fotografi tatt umiddelbart etter SRBs-avdeling. En skjematisk illustrasjon etter totalt 5th repetisjon av sekvensen enhet utstilt fordelene SMSA og SRBs-baserte strategier (figur 1b). jeg-t Egenskapskurver av den pre og main-SMSAs opp til 5th sekvensene var forhold i figur 2a og 2b figur, henholdsvis. En sammenligning av jeg-t Egenskapskurver fra prosedyrene SRBs-frakobling er vist i figur 2 c. Fotografi og tilsvarende SEM bilder av main-AAOs Hentet fra og overflater under oxalic og svovelsyre elektrolytter presenteres i Figur 3 og Figur 4, henholdsvis.

Figure 1
Figur 1 :  n th AAOs fabrikasjon prosedyrer (n = 1, 2, 3...). (en) skjematisk flytskjema inkludert tilsvarende SEM bilder i nth AAOs fabrikere sekvens: (i) uberørte Al underlaget, (ii) elektro polering, (iii) nth pre-SMSA, (iv) nth pre-AAOs etsing, (v) nth main-SMSA, (vi) nth SRBs-frakobling, (vii) nth gjenværende alumina etsning. En enhet rekkefølge ble avbildet med stiplede, blå boksen. (b) skjematisk illustrasjon viser at flertall AAOs med like dimensjoner av tilsvarende overflater ble med hell ervervet fra flere overflater av en enkelt Al plate gjennom 5th repeterende programmer av enhet sekvensen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2 : Merkelig atferd i two-step SMSAs og SRBs-detachments av AAOs under oksalsyre elektrolytt 15 ° C. Jeg-t Egenskapskurver (en) før og (b) hoved-SMSAs fra 1m til 5th sekvenser, henholdsvis. (c) - t Egenskapskurver SRBs-frakobling prosedyrer fra 1m til 5th sekvenser. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3 : Bilde av gjenværende Al substrat og main-AAOs etter 5 th gjentatte søknader av enhet serien under oksalsyre elektrolytt. AAOs innhentet fra foran og bak flater ut røde og blå-stiplede boksene henholdsvis. Insets: Åpne-pore og barriere side SEM bilder av tilsvarende 1m til 5th main-AAOs. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Figur 4 : Bilde av gjenværende Al substrat og main-AAOs etter 5th gjentatte søknader av enhet serien under svovelsyre elektrolytt. AAOs innhentet fra foran og bak flater ut røde og blå-stiplede boksene henholdsvis. Insets: Åpne-pore og barriere side SEM bilder av tilsvarende 1m til 5th main-AAOs. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Tilleggsinformasjon: Klikk her for å laste ned denne filen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

I dette papiret demonstrert vi vellykket en lettvinte, høy avkastning, og miljømessig ren metoden å dikte nanoporous AAOs gjennom SMSA og SRBs-avdelingen, som kan gjentas på samme Al underlaget for betydelig forbedring av mass-producibility som samt brukbarheten av begrensede naturressurser. Som vist i flytdiagram for figur 1a, er vår AAO fabrikere strategi basert på konvensjonelle totrinns anodization, som ble endret på flere overflater situasjonen. Enkelte prosedyrer fungerte også uavhengig av andre overflater, fordi elektrisk felt i electropolishing og to-trinns SMSAs prosedyrer ble dannet i normal retning på flere overflater, der elektrokjemisk reaksjon oppstår samtidig. I dette synspunkt defineres plasseringen av hver overflate og tilsvarende AAO med hensyn til counter elektroden, som vist i figur 1b; f.eks"Front" Angi en overflate konfrontere Pt counter elektroden, og så videre.

Uberørte Al substrat viste grovere overflater på grunn av mekaniske polering, som ble mye jevnere etter electropolishing. Hver overflaten av electropolished Al substrat lignet et speil i macroscale, men det var dekket med uregelmessig fordelte nanoskala concaves som vist i rammemargen (ii) av figur 1a. Derfor var ikke bare hver rengjøring men også tørking behandling også svært viktig, på grunn av det faktum at løsemiddel spor kan påvirke overflate morphologies prosedyrer etter electropolishing. Når forverret, overflater aldri utvinnes og holdt de dårlig morphologies. I denne forbindelse, ville overdreven electropolishing behandling ikke være bra heller. Hvis electropolishing tid lenge, regelmessig arrangeres bølgete ble daler dannet på hele Al overflater, som kan øke en limet styrke mellom AAOs og Al. En enhet sekvens avbildet av en stiplede, blå boksen vises i figur 1a består av nth pre-SMSA, nth pre-AAOs etsing, nth main-SMSA, nth SRBs-avdeling, og n th gjenværende alumina etsing, der n er antallet av anvendt sekvensen (n = 1, 2, 3,...).

Figur 2 sammenligner jeg-t karakteristiske kurvene i Forhåndspåloggings/main-SMSA og SRBs-løsgjøring fra 1m til 5th sekvenser. I begge SMSAs, gjeldende gradvis redusert med økende bruk tid. Disse vanlige funksjoner ble kun observert i flere overflater situasjon tillegge til gradvis reduksjon av totale anodiserings området samt opphopning av mekaniske påkjenninger tyktflytende flyt23,58 og volum ekspansjon23,59,60,61,62 under samtidige formasjoner av flertall AAOs56,57. Tidligere rapporter om disse SMSA og SRBs-avdeling foreslått stress-utgitt direkte detaching mekanismen, som kunne bli ytterligere optimalisert gjennom riktig SRBs vilkårene for relativt tynnere tykkelsen av AAO (se referanse57 for flere detaljer).

En intuitiv skjematisk illustrasjon antyde massiv producibility er vellykket realisert i Figur 3 og Figur 4 viser resultatene av om totalt 5th ganger gjentakelser av enhet serien under oxalic og sulfuric syre elektrolytt, henholdsvis. Hvert bilde tydelig viser at alle AAOs har nøyaktig lik dimensjonene til de tilsvarende foran og bak overflater (se Tilleggsinformasjon for AAOs løsrevet fra sidene og bunnen overflater). Barriere side SEM bilder av alle sekvensene indikerer at cleavage fly er under barriere oksider i begge surt elektrolytter, som er lignende resultater om Katodisk delaminering av en relativt tykkere AAO på mono-overflate50, 51. som en alternativ tilnærming for å få AAO med gjennom hull strukturer (dvs., uten barriere oksid), anodic spenning puls avdeling bruker en frakobling elektrolytt7,41, 42,52,53,54,55 eller to-lags anodization innlemme vanlig AAO i en oppofrende fabrikkert fra surt elektrolytt av ekstremt høy konsentrasjon (12.0 M)63 kan tas i betraktning.

SMSA og SRBs-basert strategi synes å ha en syre-type uavhengige natur, derfor ulike fordeler og styrker er verdt utvide til fosforsyre elektrolytt og/eller HA tilstand, som vil berike mulighetene for nanoporous AAOs mot mer allsidig søknadene.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Denne forskningen ble delvis støttet av National Research Foundation av Korea (NRF) stipendet finansiert av Korea regjeringen (MSIP) (nr. 2016R1C1B1016344 og 2016R1E1A2915664).

Acknowledgments

Forfatterne ikke avsløre.

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

Engineering problemet 128 samtidige flere overflater anodizations trapp-lignende reversere biases direkte avdeling anodic aluminiumoksid masse-produksjon miljøteknologi
Samtidige multi overflate Anodizations og trapp-lignende omvendt Biases avdeling av Anodic aluminium oksider i Sulfuric og oksalsyre elektrolytt
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