Summary
Ett protokoll för fabricera nanoporösa anodisk aluminiumoxider via samtidiga flera ytor anodisering följt av trappa-liknande omvänd fördomar detachments presenteras. Det kan användas flera gånger till samma aluminium substrat, uppvisar en lättköpt, hög avkastning och miljömässigt ren strategi.
Abstract
Efter rapportering om de två steg anodisering, nanoporösa anodisk aluminiumoxider (AAOs) ofta har utnyttjats i fälten mångsidig grundläggande vetenskaper och industriella tillämpningar på grund av deras återkommande arrangemang av nanopores med relativt hög bildförhållande. Men teknikerna rapporterats hittills, som kunde endast vara giltigt för mono-ytan anodisering, Visa kritiska nackdelar, dvs, tidskrävande samt komplicerade förfaranden, som kräver giftiga kemikalier, och slösa bort värdefulla naturresurser . I detta papper visar vi en lättköpt, effektiv och miljömässigt ren metod för att fabricera nanoporösa AAOs i svavelsyra och oxalsyra syra electrolytes, som kan övervinna de begränsningar som resulterar från konventionella AAO fabricera metoder. Första, plural AAOs produceras på en gång genom samtidig flera ytor anodisering (SMSA), som anger mass-producibility för AAOs med jämförbara kvaliteter. För det andra, dessa AAOs kan skiljas från aluminium (Al) substratet genom att tillämpa trappa-liknande omvänd fördomar (SRV) i samma elektrolyten används för de SMSAs, vilket innebär enkelhet och grön teknologiska egenskaper. Slutligen kan en enhet sekvens bestående av de SMSAs sekventiellt kombinerat med SRBs-baserade avlossning användas upprepade gånger till samma Al substratet, vilket förstärker fördelarna med denna strategi och även garanterar effektiv användning av naturresurser.
Introduction
AAOs som bildades av anodisering Al substrat i en sur elektrolyt, har lockade stort intresse för olika grundläggande vetenskap och industri, till exempel hårt mallar för kolnanorör/nanotrådar1,2,3 , 4 , 5, energi lagring enheter6,7,8,9, bio-sensing10,11, filtrering program12,13 , 14, masker för indunstning och/eller etsning15,16,17, och kapacitiv luftfuktighet sensorer18,19,20,21 ,22, på grund av deras själv beställda bikakestruktur, hög höjd/breddförhållande nanopores och överlägsna mekaniska egenskaper23. För att tillämpa nanoporösa AAOs i dessa olika tillämpningar, bör de fristående former med ett starkt och långväga beställda rad nanopores. Strategier för att erhålla AAOs måste i detta sammanhang överväga både bildandet (Eloxering) och separation (demontering) förfaranden.
I synvinkel AAO bildandet var mild anodisering (hädanefter MA) väl etablerad enligt svavelsyra, oxalsyra och fosforsyra sura elektrolyter23,24,25,26 ,27. Dock uppvisade MA processer låg-avkastningarna av AAO tillverkning på grund av deras långsamma tillväxttakten beroende på relativt låga intensiteter av anodisk spänningar, som skulle försämras ytterligare genom en tvåstegsprocess MA för att förbättra nanopores' periodicitet28 ,29. Således, hård anodisering (HA) tekniker föreslogs som alternativ av MA genom att tillämpa högre anodisk spänningar (oxalsyra/sulfuric syra elektrolyt) eller använder mer koncentrerad elektrolyt (fosforsyra)30,31, 32,33,34,35,36,37,38,39,40. HA visar processer tydliga förbättringar av tillväxt samt återkommande arrangemang, medan resulterar AAOs blev mer ömtålig, och tätheten av nanopores reducerad30. Dessutom krävs ett dyra kylsystem för splittras joules uppvärmning orsakas av hög strömtäthet31. Dessa resultat begränsa de eventuella tillämpligheten av AAOs via HA processer.
För att separera en AAO från motsvarande ytan av Al plattan, utnyttjades selektiv kemisk etsning av återstående Al substratet mest i både MA och HA processer med hjälp av giftiga kemikalier, såsom koppar klorid35,39 ,41,42 eller kvicksilver klorid16,17,43,44,45,46, 47 , 48 , 49. dock denna metod inducerar ofördelaktiga biverkningar, t.ex., en längre reaktionstid som är proportionell mot återstående tjockleken på Al, förorening av AAO av tungmetall joner, skadliga restsubstanser till mänskliga kroppen eller naturliga miljöer , och ineffektiv användning av värdefulla resurser. Därför har många försök gjorts för att förverkliga direkt avlossning av en AAO. Även om både katodiskt spänning delaminering50,51 och anodisk spänning puls avlossning7,41,42,52, 53,54,55 presentera en merit som den återstående Al substrat kan återanvändas, den tidigare tekniken tar nästan jämförbar tid med dem i kemisk etsning metoder50. Trots tydlig minskning av handläggningstiden användes skadliga och mycket reaktiva kemikalier, för exempel butandion eller perklorsyra, som du lossar elektrolyter i den senare teknik55, där en ytterligare rengöring på grund av förändrade elektrolyten mellan anodisering och frikoppla förfarandet behövs förfarande. Speciellt, påverka den detaching beteenden och kvaliteten i de fristående AAOs allvarligt tjocklek. När det gäller AAO med relativt tunnare tjocklek, kan den fristående som innehålla sprickor och/eller öppningar.
Alla de ovan angivna experimentella tillvägagångssätten har tillämpats på en ”single-yta” av Al förlagan, exklusive yta skyddar teknisk ändamål och funktionen av konventionell teknik utställningar kritiska begränsningarna av AAO tillverkning När det gäller avkastning samt processibility, som också påverkar de eventuella tillämpligheten av den AAOs56,57.
För att tillgodose de ökande kraven i AAO-relaterade fält när det gäller lättköpt, hög avkastning och gröna teknologiska metoder, som vi tidigare rapporterat på SMSA och direkta lossnar genom SRBs enligt sulfuric56 och oxalsyra57 syra elektrolyten, respektive. Det är ett välkänt faktum att plural AAOs kan bildas på flera ytor av Al substratet nedsänkt i sura elektrolyter. Dock aktivera SRBs, en viktig skillnad av våra metoder, avskildheten av de AAOs från motsvarande flera ytor av Al substratet i samma sura elektrolyten används för de SMSAs indikerar massproduktion, enkelhet och grön tekniska egenskaper. Vi vill påpeka att SRBs-baserade avlossning är en optimal strategi för plural AAOs fabricerade av SMSAs56,57 och även gäller för relativt tunnare tjocklekar AAOs57 jämfört med katodiskt delaminering (dvs, konstant omvänd bias) på singel-ytaSubscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
vänligen var medveten om alla de tillhörande material säkerhetsdatablad (MSDS) innan du börjar. Trots den miljövänliga karaktären av detta protokoll används några syror och oxidationsmedel i de motsvarande förfaranden. Dessutom använda alla lämplig personlig skyddsutrustning (labbrock, handskar, skyddsglasögon, etc.).
1. beredning av lösningen
Obs: efter fullständig tätning lösning innehållande fartygets, kraftig magnetisk omrörning tillämpades på alla lösningar vid rumstemperatur i tillräckligt god tid.
- Beredning av perklorsyra lösning
- blanda 100 mL av perklorsyra (HClO 4, 60%) med 400 mL absolut etanol (C 2 H 5 OH, 100%) i 1 till 4 volymförhållandet.
- Beredning av kromsyra lösning
- Lös 9,0 g kromtrioxid oxid (CrO 3) och 20,3 mL fosforsyra (H 3 PO 4, 85%) i 479.7 mL avjoniserat (D.I.) vatten (CrO 3: H 3 PO 4 = 0.18 M:0.56 M).
- Framställning av svavelsyra elektrolyt
- Mix 16,2 mL svavelsyra (H 2 SO 4, 98%) i 983.8 mL D.I. vatten vilket resulterar i molära koncentrationen av 0,3 M.
- Beredning av oxalsyra elektrolyt
- Lös 27.012 g vattenfri oxalsyra (C 2 H 2 O 4) i 1 L D.I. vatten vilket resulterar i molära koncentrationen av 0,3 M.
2. Förbehandling av Al substratet
- bearbetning Al specimen
- skär renat Al preparatet (> 99,99% ren) till rektangulär parallellepiped form (bredd x höjd x tjocklek = 20,0 x 50,0 x 1,0 mm) med räta vinklar mellan alla de intilliggande ytor, som kallas " substrat " härefter.
- Polska Multi ytbehandlar av Al substratet mekaniskt med sandpapper med rätt ISO/FEPA Grit beteckning antal mer än P1000.
Obs: Se Tilläggsinformation för mer detaljer.
- Samtidiga electropolishing på flera ytor av Al substratet
- Pour ungefärliga 350 mL perklorsyra etanol lösning till dubbel jacka bägare med maximal kapacitet på 600 mL. Sedan doppa fyra femtedelar av Al substratet i perklorsyra lösning.
- Set temperaturen av perklorsyra lösningen på 7 ±0, 1 ° C med en bad cirkulationspump ansluten till en dubbel jacka bägare.
- Rena Al substratet genom ultraljud i aceton för 30-40 min och skölj med aceton och di vatten några gånger för att ta bort organiska rester på ytor av Al substratet.
- Torr Al substratet med luftpistol eller kväve (N 2) gas blåsa för att eliminera lösningsmedelsrester.
Obs: Naturlig torkning under atmosfäriska miljöer vara rekommenderas inte eftersom lösningsmedel spår påverkar de electropolishing effekterna negativt. - Ansluta Al substrat arbetselektroden (W.E.) till den positiva (+)-porten och platina (Pt) counter tråden (C.E.) till den negativa (-) porten på programmerbara DC-strömförsörjning, använder alligator klipp. Al underlaget och Pt tråd bör vara parallella med varandra (se Figur S2).
- Tillämpa framåt bias av +20.0 V till den Al W.E. avseende Pt C.E. för 2-4 min i genomsnitt. Beroende på ytans skick, såsom förorening eller råhet, kunde tillämpa tiden upprätthållas upp till 5 min. Inspektera alla ytor nedsänkt i lösningen att kontrollera om rester på ytan lossnar och glida ner i lösningen. Under detta steg, magnetisk omrörning rekommenderas inte eftersom inspektionen är svårt under omrörning, och lösningen flödet kan påverka effekten electropolishing.
Obs: Använd inte electropolish för mer än 5 min, som skulle försämras ytorna.
Alternativ: Inspelning aktuell tid (jag-t) egenskaper beteende via PC-gränssnittet är till hjälp för att övervaka förfarandet electropolishing inklusive onormal punkter om de finns. - Sluta tillämpa bias och koppla från alligator klipp. Plocka upp Al substrat och Pt elektroden noggrant från electropolishing lösningen. Ta sedan bort kvarvarande lösning på ytan av Al substratet använder etanol (95%) och di vatten ett par gånger. Om electropolishing utförs korrekt, spegelblank färdiga ytor av Al substratet kan identifieras (se Figur S1 och Figur S3).
- Lagra elektropolerat Al substrat i etanol (95%) fram till nästa procedur för att minimera ytan oxidation.
3. Massiva tillverkning av AAOs under oxalsyra elektrolyt
Obs: för AAOs med en långväga arrangemang av nanopores ' periodicitet, SMSAs tvåstegsförfarande användes, som regelbundet texturerat Al flera ytor var att erhålla genom pre-SMSA, och sedan, main-SMSA genomfördes för att fabricera de högkvalificerade AAOs. Upprepad tillämpning av en enhet sekvens kan hålla producerar plural och nästan identiska AAOs tills Al substratet förblir. " n " betecknar antal tillämpade sekvensen.
- n th Pre-SMSA
- Pour ungefärliga 650 mL oxalsyra vattenlösning med molära koncentrationen av 0,3 M till en dubbel jacka bägare med maximal kapacitet 1,0 l. Sedan doppa ungefär tre fjärdedelar av Al substratet i oxalsyra lösningen.
- Set temperaturen av oxalsyra elektrolyt på 15 ±0, 1 ° C med en bad cirkulationspump ansluten till en dubbel jacka bägare.
- Plocka upp elektropolerat Al substrat från etanol och ta bort resterande lösningsmedel med en luftpistol eller N 2 gas blow.
- Anslut den elektropolerad Al substrat till W.E. (+) och Pt tråd till C.E. (-) av programmerbara DC strömförsörjning med en alligator klipp. Al underlaget och Pt tråd bör vara parallella med varandra. Sedan doppa elektropolerad portion av Al substratet i oxalsyra elektrolyt.
Obs: Se till att det finns tillräckligt med utrymme (t.ex., ungefär 1 cm) mellan toppen av sura elektrolyten och botten av den krokodilklämma ansluten till Al substratet, annars svår korrosion uppstår vid alligator clip ansluten position. - Gälla W.E. avseende C.E. anodisk bias av +40.0 V för mer än 1-2 h under måttlig magnetisk omrörning av 100-150 rpm för att upprätthålla elektrolyt temperatur.
Obs: Om Pre-SMSA tiden är för kort, flera ytor av Al substratet kommer inte vara texturerat ordentligt.
Alternativ: Inspelning jag-t egenskaper beteende via PC-gränssnittet är till hjälp för att förstå typiska uppföranden i SMSA. - Stop tillämpa anodisk bias after avslutad pre-SMSA, och koppla från alligator klipp. Plocka upp provet noggrant från sura elektrolyt och skölj den pre-SMSAed Al-substrat med aceton och di vatten några gånger.
- n th Pre-AAOs etsning
- ställa in temperaturen av kromsyra vattenlösning vid 60-65 ° C.
- Sänk den pre-SMSAed Al-substrat till kromsyrelösning för 1-2 h ta bort pre-AAOs på Al substraten.
- Skölj de pre-AAOs bort Al substrat med aceton och D.I. vatten några gånger. Mät motståndet av Al substratet att bekräfta huruvida de pre-AAOs helt har tagits på ytan. Om inte, upprepa etsning proceduren igen (steg 3.2.2).
- n th Main-SMSA
- åter-ställa upp alla experimentella förhållanden och anslutningar som används i steg 3.1.
Obs: Det bör noteras att oxalsyra elektrolyt kan användas i ett par sekvenser, och detta påverkar inte de main-AAOs kvaliteter. För kvantitativa jämförelser, det rekommenderas dock att elektrolyten används i en hel sekvens och sedan utbytt med en ny en. - Gälla W.E. avseende C.E. anodisk bias av +40.0 V; tillämpa tid kan varieras beroende på en önskvärd tjocklek av AAO. AAO tillväxttakt uppskattades till ca 8.0 och 7,5 μm/h på framsidan och tillbaka ytan av Al substratet på elektrolyt temperatur av 15 ° C, respektive (se referens 57 för mer detaljer).
- åter-ställa upp alla experimentella förhållanden och anslutningar som används i steg 3.1.
- n th SRBs-avlossning
- slutar tillämpa anodisk bias och omrörning efter målgång i main-SMSA och Anslut den main-SMSAed Al-substrat till C.E. (-) och Pt tråd till W.E. (+) av programmerbara DC strömförsörjning genom att byta varje krokodilklämma.
- Gäller SRBs och inspektera typiska bubblande effekter längs Al substratet täckt med main-AAOs flera kanter. Detaljer för SRBs tillstånd, exempelvis intensiteten i början RB, antal trappor och varaktighet i varje trappa, är nära korrelerade med tjockleken på main-AAOs. För main-AAOs tjockare än 60 μm kontrollerades trappa i SRBs från -21 V till -24 V med ökningsvärdet-1 V och utan tidsintervallet mellan intilliggande trappor. Varaktighet för -21 V, -V 22 och -23 V fastställdes till 10 min, och den slutliga trappan av -24 V upprätthölls tills det detaching förfarandet avslutas (se referens 57 för mer information, inklusive fallet med tunnare AAOs).
Obs: Det rekommenderas starkt för en nybörjare att använda PC gränssnitt kontroll av SRBs och spela in den jag-t karakteristikkurvor under proceduren. - Avsluta tillämpa SRBs efter avslutad avskildheten och koppla från alligator klipp. Plocka upp provet noggrant från sura elektrolyt och skölj dem noggrant med aceton och di vatten ett tillräckligt antal gånger.
- Separat varje AAO från motsvarande Al yta helt. Direkt efter steg 3.4.3, övre delarna av de fristående AAOs fortfarande är anslutna till Al substratet, som bör vara manuellt bruten.
- n th kvarstående aluminiumoxid etsning
- temperaturen i kromsyrelösning vid 60-65 ° C, som fördjupa AAOs-fristående Al substratet i ca 30 min att undanröja kvarstående aluminiumoxid.
- Plocka upp den etsade Al substrat, och skölj med aceton och D.I. vatten några gånger. Mät motståndet för att bekräfta fullständig borttagning av återstående aluminiumoxid. Om inte, upprepa steg 3.5.2.
- n + 1 th sekvens
- gå till steg 3.1 och upprepa hela sekvensen med hjälp av kvarvarande aluminiumoxid-etsade Al substratet.
4. Massiva tillverkning av AAOs under svavelsyra elektrolyt
Observera: I detta avsnitt, tydligt olika villkor från dem i steg 3 är påpekade.
- n th Pre-SMSA
- Pour ungefärliga 650 mL svavelsyra vattenlösning (0,3 M) till en dubbel jacka bägare med maximal kapacitet 1,0 l. Sedan, ungefär tre fjärdedelar av Al substratet är nedsänkt i den sulfuric syra lösningen.
- Ställa in temperaturen i elektrolyten vid 0 ±0, 1 ° C.
- Ta bort återstående vätskan på elektropolerat Al substrat med en luftpistol eller N 2 gas blow, och Anslut Al substratet till en programmerbar DC strömförsörjning använder alligator klipp (se steg 3.1.4)
- Tillämpa anodisk bias av +25.0 V till W.E. avseende C.E. för mer än 1-2 h under måttlig magnetisk omrörning (100-150 rpm).
- Avsluta tillämpa anodisk bias efter efterbehandling pre-SMSA och koppla från alligator klipp. Plocka upp och skölj den pre-SMSAed Al-substrat med aceton och di vatten några gånger.
Obs: för n th Pre-AAOs etsning, se steg 3,2.
- n th Main-SMSA
- åter-ställa upp alla experimentella förhållanden och anslutningar som används i steg 4.1.
- Gäller samma anodisk bias. Tillämpa tid kan varieras beroende på ett önskvärt AAO tjocklek. AAO tillväxttakt uppskattades till ungefär 5,3 μm/h (se referens 56 för mer detaljer).
- n th SRBs-avlossning
- Avsluta tillämpa anodisk bias och omrörning efter målgång i main-SMSA och ansluta den main-SMSAed Al-substrat till C.E. (-) och Pt tråd till W.E. (+) av programmerbara likström leverans genom att byta varje krokodilklämma.
- Tillämpa SRBs, och inspektera typiska bubblande effekter längs flera kanter av provet. Trappa i SRBs kontrollerades från -15 V till -17 V med ökningsvärdet-1 V och utan tidsintervallet mellan intilliggande trappor. Varaktighet för -15 V och -16 V fastställdes till 10 min, och slutliga trappa av -17 V upprätthölls tills det detaching förfarandet avslutat.
Obs: Baserat på AAOs fabricerade under svavelsyra elektrolyt mer ömtålig natur, ökades abrupt den nuvarande nivån på de detaching stunder tillsammans med märkbar Klicka låter. - Avsluta tillämpa SRBs efter avslutad avskildheten och koppla från alligator klipp. Plocka upp provet noggrant från sura elektrolyten och skölj noga med aceton och di vatten ett tillräckligt antal gånger.
- Separat varje AAO från Al ytan mekaniskt genom att bryta de övre delarna av som-fristående AAOs.
Obs: För n th kvarstående aluminiumoxid etsning se steg 3.5.
- n + 1 th sekvens
- gå till steg 4.1 och upprepa hela sekvensen med hjälp av kvarvarande aluminiumoxid-etsade Al substratet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Flödesschema för nth AAO fabricera sekvens som huvudsakligen består av två steg SMSAs, SRBs-avlossning, och relaterade kemisk etsning presenterades schematiskt i figur 1a. Varje infälld Visa ett svepelektronmikroskop (SEM) bild motsvarande ytan morfologi på varje enskilda förfarandet och ett fotografi taget omedelbart efter SRBs-avlossning. En Schematisk illustration efter totalt 5th upprepning av sekvensen enhet ställde ut fördelarna med SMSA och SRBs-baserade strategier (figur 1b). jag-t karakteristikkurvor för före och main-SMSAs upp till 5th sekvenser jämfördes i figur 2a och figur 2b, respektive. En jämförelse av jag-t karakteristikkurvor från varje SRBs-demontering procedur visas i figur 2 c. Fotografi och motsvarande SEM-bilder av de main-AAOs erhållits från främre och bakre ytor under oxalsyra och sulfuric syra elektrolyter presenteras i figur 3 och figur 4, respektive.
Figur 1 : n th AAOs fabrication förfaranden (n = 1, 2, 3...). (en) Schematisk flödesschema inklusive motsvarande SEM-bilder i nth AAOs fabricera sekvens: (i) orörda Al-substrat, (ii) Electro polering, (iii) nth pre-SMSA, (iv) nth pre-AAOs etsning, (v) nth main-SMSA, (vi) nth SRBs-koppla loss, (vii) nth kvarstående aluminiumoxid etsning. En enhet sekvens var avbildad med blå-streckad ruta. (b) Schematisk illustration visar att plural AAOs med samma dimensioner av motsvarande ytor erhölls framgångsrikt från flera ytor på en enda Al-plåt genom 5th repetitiva tillämpningar av sekvensen enhet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2 : Märkliga beteenden under two-step SMSAs och SRBs-detachement av AAOs under oxalsyra elektrolyt vid 15 ° C. Jag-t karakteristikkurvor för (en) före och (b) main-SMSAs från 1st till 5th sekvenser, respektive. (c) jag-t karakteristikkurvor SRBs-demontering förfaranden från 1st till 5th sekvenser. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3 : Fotografi av återstående Al substrat och main-AAOs efter 5 th repetitiva tillämpningar av sekvensen enhet under oxalsyra elektrolyt. AAOs erhållits från främre och bakre ytor var distingerade av röd - och blå-streckad lådor, respektive. Inläggningar: Öppna-pore och barriär sida SEM-bilder av den motsvarande 1st till 5th main-AAOs. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4 : Fotografi av återstående Al substrat och main-AAOs efter 5th repetitiva tillämpningar av sekvensen enhet under svavelsyra elektrolyt. AAOs erhållits från främre och bakre ytor var distingerade av röd - och blå-streckad lådor, respektive. Inläggningar: Öppna-pore och barriär sida SEM-bilder av den motsvarande 1st till 5th main-AAOs. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Kompletterande Information: Vänligen klicka här för att hämta den här filen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
I detta papper visat vi framgångsrikt en lättköpt, hög avkastning och miljömässigt ren metod att fabricera nanoporösa AAOs genom SMSA och SRBs-avlossning, som kan upprepas på samma Al substratet för att avsevärt förbättra mass-producibility som liksom användbarheten av begränsad naturresurs. Som visas i flödesschemat i figur 1a, är vår AAO fabricera strategi baserad på den konventionella two-step anodisering, som ändrades på flera ytor situationen. Enskilda förfaranden fungerat väl oberoende av andra ytor, eftersom elektriska fält i electropolishing och tvåstegsverifiering SMSAs procedurer bildades i normal riktning på flera ytor, där den elektrokemisk reaktionen inträffar samtidigt. I denna synpunkt definieras positionen för varje yta och motsvarande AAO med avseende på counter elektroden, som visas i figur 1b; t.ex., ”Front” utse en yta konfrontera Pt counter elektroden, och så vidare.
Orörda Al substrat visade grövre ytor på grund av mekanisk polering, som blev mycket jämnare efter electropolishing förfarande. Varje yta av den elektropolerad Al substrat såg ut som en spegel i macroscale, men det var täckt med ojämnt distribuerade nanoskala concaves som visas i infällt (ii) figur1a. Därför var inte bara varje rengöring men också torkning behandling också mycket viktiga, på grund av det faktum att lösningsmedel spår väsentligt kan påverka ytan morfologier i förfarandena efter electropolishing. När försämrats, ytor aldrig återhämtat sig och höll de fattiga morfologier. I detta avseende, skulle överdriven electropolishing behandling inte heller bra. Om electropolishing tid alltför länge, med jämna mellanrum arrangeras vågiga bildades dalar på hela Al ytor, vilket skulle kunna öka en vidhäftningskraft mellan AAOs och Al. En enhet sekvens skildras av en blå-streckad ruta visas i figur 1a består av nth pre-SMSA, nth pre-AAOs etsning, nth main-SMSA, nth SRBs-lösgörande och n th kvarstående aluminiumoxid etsning, där n är antalet av tillämpad sekvens (n = 1, 2, 3,...).
I diagram 2 jämförs de jag-t karakteristikkurvor pre/main-SMSA och SRBs-lösgörande från 1st till 5th sekvenser. I båda SMSAs, den nuvarande nivån minskade gradvis med ökande tillämpa tid. Dessa typiska funktioner observerades endast i flera ytor situation tillskriva den gradvisa minskningen av anodisering yta samt ansamling av mekaniska spänningar på grund av den trögflytande flödet23,58 och volym expansion23,59,60,61,62 under samtidig formationer av plural AAOs56,57. Tidigare rapporter om dessa SMSA och SRBs-avlossning föreslog stress-släppte direkt detaching mekanismen, som ytterligare kan optimeras genom lämpliga SRBs villkor för relativt tunnare tjocklek av AAO (se referens57 för mer detaljer).
En intuitiv Schematisk illustration innebär massiva producerbarhet realiseras framgångsrikt i figur 3 och figur 4 uppvisar resultaten av om totalt 5th gånger iterationer av sekvensen enhet under oxalsyra och sulfuric syra elektrolyten, respektive. Varje fotografi visar tydligt att alla de AAOs att ha exakt lika dimensioner till dem på motsvarande fram och tillbaka ytor (se den Kompletterande Information för de AAOs lossnat från sidorna och botten ytor). Barriär sida SEM-bilder av alla sekvenser tyder på att klyvning plan under barriär kväveoxider i båda sura electrolytes, som är liknande resultat om katodiskt delaminering av en relativt tjockare AAO mono-yta på50, 51. som ett alternativ för att erhålla AAO med hålmonterade strukturer (dvs., utan barriär oxid), anodisk spänning puls lösgörande med en annan demontering elektrolyt7,41, 42,52,53,54,55 eller två-lagers anodisering införliva en uppoffrande fabricerade från sura elektrolyten av extremt hög normal AAO koncentration (12,0 M)63 kan beaktas.
De SMSA och SRBs-baserade strategi verkar besitta en syra-typ oberoende natur, dess olika fördelar och styrkor är därför värt att expandera till fosforsyra elektrolyt eller HA tillstånd, som kommer att berika potentialerna av nanoporösa AAOs mot mer mångsidigt program.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Denna forskning stöds delvis av National Research Foundation i Korea (NRF) bidraget finansieras av Korea regeringen (MSIP) (nr. 2016R1C1B1016344 och 2016R1E1A2915664).
Acknowledgments
Författarna har något att avslöja.
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).
