CC BY
75
УДК 539.232:53.086
ИССЛЕДОВАНИЕ САМООРГАНИЗУЮЩИХСЯ ГЕТЕРОСТРУКТУР ПОРИСТОГО АНОДНОГО ОКСИДА АЛЮМИНИЯ
Аверин И. А., Губич И. А., Дарвин В.Ю., Печерская Р.М.
Пенза, ГОУ ВПО ’’Пензенский государственный университет”
Аннотация. Исследуется взаимосвязь между геометрическими
параметрами ПАОА и физико - химическими параметрами анодирования для различных состояний алюминиевой поверхности. Показана возможность управления морфоструктурой пористого анодного оксида алюминия (ПАОА), сформированного, как в объемном, так и в пленочном материале.
Abstact. Interrelation between geometrical parameters PAOA and physic and chemical parameters of anodizing for various conditions of an aluminum surface is investigated. Possibility by management morphostructure PAOA, generated, both in volume, and in film execution is shown.
Ключевых слова. Нанотехнологии, наноэлектроника, диэлектрические матрицы, пористый анодный оксид алюминия, квантово-размерные эффекты, электрохимическое анодирование, морфоструктура, атомно-силовом
микроскоп.
Keywords. Nanotechnologies, nanoelectronics, dielectric matrixes, porous anode aluminum oxide, quantum-dimensional effects, electrochemical anodizing, morphostructure, atomic force microscopy.
Одним из приоритетных направлений развития науки, технологий и техники Российской Федерации является Индустрия наносистем. В рамках данного направления выделено направление - Нанотехнологии и наноматериалы. Это обусловлено тем, что наноматериалы представляют практический и научный интерес как для понимания фундаментальных свойств материалов, имеющих нанометровые размеры, так и с точки зрения создания на их основе приборов с принципиально новыми физическими свойствами, обеспечивающими существенное повышение функциональных характеристик устройств наноэлектроники, включая сенсоры. Одним из перспективных материалов является пористый оксид алюминия, качественно новые физические свойства в котором обусловлены развитой поверхностью и квантово - размерными эффектами.
В настоящее время наряду с традиционными методами формирования наноматериалов (молекулярно-лучевая эпитаксия, электронная литография, ионно-лучевая литография) развиваются методы их самоорганизации. К ним относятся рост из газовой фазы и растворов, химические методы, включая термические, гидротермические и карбонотермические реакции.
Перспективным направлением наноэлектроники является создание сенсоров на основе упорядоченных пористых матриц с использованием пористого анодного оксида алюминия.
Целью работы является установление взаимосвязи между параметрами морфоструктуры ПАОА и физико - химическими условиями анодирования.
В качестве исходного материала для создания матриц используется высокочистая алюминиевая фольга и пленки алюминия, нанесенные на ситалловые подложки. Процесс электрохимического анодирования
осуществляют в двухэлектродной ячейке, изготовленной из стекла, с графитовым катодом. Электролитом является четырёх процентный водный раствор щавелевой кислоты.
Исследование влияния условий получения на параметры морфоструктуры проводится при постоянном напряжении и изменении плотности тока, а также при постоянной плотности тока и изменении напряжения. В процесс электрохимического анодирования температура электролита поддерживается в диапазоне от 16 до 18 0С.
Для анализа морфоструктуры ПАОА разработана методика исследования поверхности на атомно-силовом микроскопе (АСМ). Сканирование проводено в контактном режиме с силой воздействия кантилевера на поверхность 55-70 нН, которая специально подбирается для каждого из образцов. Обработка изображений осуществлялась при помощи программных средств.
Полученные и обработанные АСМ - изображения морфоструктуры ПАОА представлены на рисунке 1. Видно, что поры на поверхности фольги более упорядочены и имеют меньший разброс по размерам, чем на пленке алюминия на ситалловой подложке. Это объясняется снижением количества инжектируемых ионов алюминия и возрастанием вклада процессов встраивания в оксид анионных комплексов алюминия.
На основе результатов исследования морфоструктуры ПАОА на АСМ установлена корреляция между диаметром пор и условиями формирования ПАОА. Статистическая обработка результатов экспериментов позволила представить данную зависимость в следующем виде:
d = AeBj, (1)
где d - диаметр пор; j - плотность тока анодирования; A = 16,9; 27,9 нм и B = 0,007; 0,0061 мА-1 для ПАОА, сформированного на алюминиевой фольге и пленке алюминия, нанесенной на ситалловую подложку.
На рисунке 2 приведены зависимости диаметра пор от плотности тока анодирования. Видно, что увеличение плотности тока анодирования приводит к росту диаметра пор. При одинаковых условиях анодирования на поверхности фольги формируются поры большего диаметра, чем в пленке алюминия на ситалловой подложке.
На рисунке 3 представлены зависимости диаметра пор от величины напряжения на электродах при постоянной плотности тока. Диаметр пор линейно зависит от напряжения формирования оксидного слоя (рисунок 3 а и б) и описывается уравнением:
d = С + DU, (2)
где U - напряжение формирования морфоструктуры; С = -1,8; 8 нм и D = 0,7;
0,9 для ПАОА на алюминиевой фольге и пленке алюминия на ситалловой мА
подложке соответственно.
Необходимо отметить, что при одинаковых условиях получения поры в ПАОА, сформированного на алюминиевой фольге, имеют меньший диаметр, чем в ПАОА на базе алюминиевой пленке на ситалле из-за различной дефектности материалов фольги и пленки.
Установленные особенности пористого строения анодных оксидов алюминия в зависимости от условий получения расширяют возможности синтеза на алюминии оксидных покрытий с заданной морфоструктурой. Результаты комплексного исследования формирования ПАОА позволяют уточнить механизм образования оксидных покрытий при электрохимическом анодировании в водных растворах щавелевой кислоты.
а) б)
а - поверхность ПАОА на алюминиевой фольге; б - поверхность ПАОА в пленке алюминия на ситалле Рисунок 1 - ACM - изображение поверхности ПАОА
d, 85
80
75
70
65
60
55
50
45
40
35
30
25
—" 2
20 40
60
80
100
120 140 160 180 200 220 240
......2
1 - ПАОА, сформированный на алюминиевой фольге
2 - ПАОА, сформированный на пленке алюминия, нанесенной на подложку из ситалла
j, mA/cmz
Рисунок 2 - Зависимость диаметра пор от плотности тока анодирования
Рисунок 3 - Зависимость диаметра пор от напряжения формирования
морфоструктуры
