高度有序的多孔阳极氧化铝膜的制备与应用.docVIP

高度有序的多孔阳极氧化铝膜的制备与应用 1引言 铝作阳极氧化处理形成的多孔阳极氧化铝膜是一种典型的可用于制备几种类型的功能纳米器件的自组织材料。多孔阳极氧化铝的几何结构被称为晶胞，是一个封闭包装的统一大圆柱单元，该单元有各自垂直与表面的中央直孔。[1]与其它纳米材料相比，多孔阳极氧化铝的一个重要优势是它的几何结构（孔径、孔间隔和孔深度）可以很容易的通过改变氧化条件加以控制。 由于多孔阳极氧化铝独特的几何纳米结构，多年来它已被适用于各种广泛的领域。[2-5]本文将叙述高度有序的多孔阳极氧化铝的合成以及它适用何种功能的纳米器件。 2高度有序的多孔阳极氧化铝的合成 2.1铝表面多孔阳极氧化铝的生长 当铝的阳极氧化是在一个中性的电解质（如磷铵）中时，铝表面形成的是一层均匀的薄薄的氧化层。氧化层的厚度与外加电压之间存在良好的线性关系（~1.2nmV-1），而且氧化层的增长速度不会高于这个厚度。与此相反，当阳极氧化是以酸性溶液作为电解液时，铝表面形成的是一层厚的氧化层（图1）。对于在酸性溶液中进行阳极氧化的铝，由此产生的氧化物的部分腐蚀是因为溶液中溶剂的作用。然后，在一次腐蚀的位置有选择性的进行增长和腐蚀氧化层。最底部的氧化层被称为阻隔层，在阻隔层氧化物的生长是通过Al3+和O2-在强电场作用下实现的。所获得的晶胞的直径可近似为两倍的阻隔层的厚度，在这种条件下毛孔所占的比例可以被忽略。这是多孔阳极氧化铝几何关系和外加电压之间简单的收益率的关系。孔间隔，这相当于晶胞的大小，与外加电压之间具有良好的线性关系（~2.5nmV-1）。孔径的大小取决于电解液的浓度和温度，此外还与外加电压有关。然而孔径大小还可以通过阳极氧化电压控制。如果需要孔径大小可以通过改变腐蚀条件来解决。毛孔深度与氧化时间完全成正比例关系。这种可控性的几何结构是多孔阳极氧化铝进行阳极氧化和封孔的一个重要方面。 图1多孔阳极氧化铝的生成过程  图2 多孔阳极氧化铝上长程有孔的排列 （a）硫酸[9]；（b）草酸[6,7]；（c）硫酸[8]2.2高度有序多孔阳极氧化铝的合成 多孔阳极氧化铝中孔排列顺序主要取决与阳极氧化条件。在适当的阳极氧化条件下，可以获得大面积孔隙理想的长程有序的多孔阳极氧化铝。[6-10]外加电压是获得长程有序的阳极氧化铝的阳极氧化条件中最重要的参数，这是用于阳极氧化的特定的电解质。通过选择适当的电解质溶液和外加电压可以获得各种孔间隔的长程有序的多孔阳极氧化铝。图2的例子总结了用几种典型的酸性溶液得到的长程有序的阳极氧化铝孔在多孔阳极氧化铝上的排列形式。 在最初阶段的阳极氧化过程中多孔阳极氧化铝孔的排列是随机的而且有序化程度非常低。在适当的阳极氧化条件下，多孔阳极氧化铝孔的有序化的进展与氧化时间有关。如果多孔阳极氧化铝表面要有长程有序排列的孔隙，则可以采用两部阳极氧化法这个特别的技术。[7]这一过程中，在适当的氧化条件下在铬酸和磷酸的混合溶液中经过长时间的阳极氧化多孔层被有选择性的去除。这样就会形成长程有序排列的孔隙。因为在除去低一次阳极氧化的氧化层后会有隐藏的有序的孔洞阵列，这可以作为孔隙发展的起始位置，同时它们也引导着孔隙的连续生长，因此在第二次阳极氧化的的最初阶段就可以得到长程有序排列的孔隙。这一过程能有效获得遍及整个多孔阳极氧化铝膜的直孔。 2.3使用铸模法制作理想有序的多孔阳极氧化铝 图3理想有序排列的孔隙的形成过程：（a）印记进程；（b）用于印记的模具 为了在整个多孔阳极氧化铝样品中形成理想有序排列的孔，应用到铝基的预处理和随后的阳极氧化的结合的过程。[11-13]在这一过程中，由于使用了带有有序排列凸起的模具，在铝的表面印压了一层浅而有序的孔隙，说明了阳极氧化过程中这层孔隙的生长。（图3）。用电子束光刻技术把半导体[11,12]或金属制成印压模具。[13]在随后的阳极氧化中，外加电压必须满足外加电压和孔间隔之间的线性关系。图4显示了扫描电镜显微镜（SEM照片）下的理想有序排列的多孔阳极氧化铝膜的孔隙。[11]阳极氧化铝具有极高宽高比的高度有序多孔结构可以从图4的扫描电镜图片的横断面中得到确认。 图4理想有序的多孔阳极氧化铝金属制品：（a）表面；（b）横断面 预处理过程将孔进行理想有序的排列，在此情况下进行阳极氧化，孔在厚度方向是上排列的有序程度仍然依赖于阳极氧化条件。没有适当的阳极氧化条件不能获得有极高宽高比的理想有序的多孔结构。这意味着孔隙排列中自组织过程在有序多孔结构的增长中起着重要的作用。 利用聚焦离子束（纤维蛋白原）设备进行预处理纹理，这样一个制造理想有序的多孔阳极氧化铝的类似过程已经被报告过了。[14] 有序的自组织结构也可以用来作为筹备有纹理的铝的初始结构。图5描述了使用自组织的聚苯乙烯颗粒对铝基进行预处理的过程。这一过程不需要昂贵