Жоғары реттелген кеуек құрылымды алюминий оксиді қабықшасының құрылымды параметрлері
Реферат
Дипломдық жұмыс 53 беттен, 29 суреттен, 4 кестеден және 53 әдебиеттер тізімінен тұрады.
Өзекті сөздер: кеуекті алюминий оксиді, мембраналар, электрохимиялық анодтау, қымыздық қышқыл.
Жұмыстың мақсаты - электрохимиялық анодтау процесі арқылы кеуекті алюминий оксиді негізінде мембраналарды алу және олардың қасиеттерін зерттеу.
Зерттеу объектілері: анодты кеуекті алюминий оксиді негізіндегі наноқұрылымдалған мембраналар.
Кеуекті анодты оксидтік қабықшалар алюминий, кремний, индий фосфиді, титан, ниобий, тантал, қалайы сиякты материалдарда өсіріле алады. Нанокеуекті оксидтік қабат құруға келешегі зор материалдың бірі алюминий болып табылады. Анодты алюминий оксиді наноөлшемді болып келетін ұяшықты-кеуекті құрылыммен, жоғары механикалық беріктікпен, бірегей диэлектрлік және оптикалық қасиеттермен сипатталады. Анодтау шарттарын өзгерту есебінен анодты алюминий оксидін құрылымдық - морфологиялық және электрофизикалық сипаттамаларының кең спектрін алуға болады.
Кеуекті анодты алюминий оксиді наноөлшемді құрылым мен композиттік материалдар құру үшін матрица ретінде қолданылады. Металдық немесе жартылай өткізгіштік нанокристалдарды алюминий оксидінің қуыстарына енгізу арқылы ерекше қасиеті бар материал жасауға мүмкіндік бар. Алюминий оксидінің қуыстарын диэлектрлік материалмен толтырсақ, диэлектрлік өтімділігі төмен болатын қабықшаны алу мүмкіндігі туады. Мұндай материалдарды интегралды микросхема қабықшасы ретінде пайдалану элементтер арасындағы сыйымдылық байланыстарын төмендетеді де, дайындалатын аспаптардың өнімділігін арттырады.
Мембраналық фильтрацияның жаңа технологиялық өңдемесін биомедициналық тұрғыда қолдану үшін, мысалы су ресурсының жетіспеу және оның сапасының нашарлау жағдайы үшін өзекті мәселе болып табылады. Наноматериалдарды мембраналар жасау үшін пайдалану олардың суды тазалау, газсыздандыру және дезинфекциялау үшін кең мүмкіндіктерін көрсетеді.
Тәжірибелік жұмысты жасау үшін электрохимиялық анодтау әдісін пайдалана отырып, кеуекті оксидті алюминий негізіндегі қабықшалар алынды. Бұл процесте кеуекті алюминий түрлі қышқылдарда синтезделді. Электролит ретінде қымыз қышқыл қолданылды. Соның нәтижесінде, оксидтік қабықшалардың кеуекті және барьерлі түрі пайда болды.
Реферат
Дипломная работа состоит из 53 страниц, 29 рисунков, 4 таблиц и 53 литературных списков.
Актуальные слова: пористый оксид алюминия, мембраны, электрохимическое анодирование, щавелевая кислота.
Цель исследования - изучение свойств мембран на основе пористого оксида алюминия путем электрохимического анодирования.
Объекты исследования: наноструктурные мембраны на основе анодного пористого оксида алюминия.
Пористые анодные оксидные пленки могут быть выращены на таких материалах, как алюминий, кремний, фосфид индия, титан, ниобий, тантал, олово и др. Наиболее перспективным материалом для создания нанопористых оксидных слоев является алюминий. Анодный оксид алюминия обладает уникальной наноразмерной ячеисто-пористой структурой, высокой механической прочностью, уникальными диэлектрическими и оптическими свойствами. За счет изменения условий анодирования возможно получение анодных оксидов алюминия с широким спектром структурно - морфологических и электрофизических характеристик.
Пористый анодный оксид алюминия используется как матрица для создания наноразмерных структур и композитных материалов. Путем встраивания в поры оксида алюминия металлических или полупроводниковых нанокристаллов возможно создание материалов с уникальными свойствами. Заполнение пор оксида алюминия диэлектрическими материалами позволяет получить пленку с низкой диэлектрической проницаемостью. Применение таких материалов в качестве подложек интегральных микросхем позволит значительно снизить емкостные связи между элементами и, тем самым, повысить быстродействие разрабатываемых приборов.
Разработка новых технологий мембранной фильтрации является актуальной задачей для биомедицинских применений, в условиях нехватки водных ресурсов и ухудшения качества воды. Использование наноматериалов для создания мембран демонстрирует их широкие возможности для очистки воды, ее дегазации и дезинфекции.
Для проведения эксперимента были получены пленки на основе пористого оксида алюминия с использованием электрохимического метода анодирования. В этом процессе пористый алюминий синтезируется в различных кислотах. В качестве электролита использовали щавелевую кислоту. В результате появился пористый и барьерный тип оксидных пленок.
ABSTRACT
The graduate work consists of 53 pages, 29 pictures, 4 tables and 53 literary lists.
Main words: porous alumina, membranes, electrochemical anodizing, kumysic acid.
The purpose of the work - studying the properties of membranes based on porous alumina by electrochemical anodizing.
Objects of research: nanostructured membranes based on anodic porous aluminum oxide.
Porous anodic oxide films can be grown on materials such as aluminum, silicon, indium phosphide, titanium, niobium, tantalum, tin, etc. Aluminum is the most promising material for creating nanoporous oxide layers. Anodic aluminum oxide has a unique nano-sized cellular-porous structure, high mechanical strength, unique dielectric and optical properties. Due to changes in anodizing conditions, it is possible to obtain anodic aluminum oxides with a wide range of structural, morphological and electrophysical characteristics.
Porous anodic aluminum oxide is used as a matrix for creating nanoscale structures and composite materials. It is possible to create materials with unique properties by incorporating into the pores of oxide metal or semiconductor nanocrystals. Filling the pores of aluminum oxide with dielectric materials makes it possible to obtain a film with a low dielectric constant. Using of such materials as integrated of circuits substrates will help significantly reduce the capacitive coupling between the elements and it increases the speed of developed devices.
Development of new technologies of membrane filtration is relevant for biomedical applications, in conditions of lack of resources and deterioration of water quality. The use of nanomaterials to create membranes demonstrates their wide possibilities for water purification, it is degassing and disinfection.
For the experiments, the films were obtained on the basis of porous aluminum oxide using the electrochemical anodizing method. In this process, porous aluminum is synthesized in various acids. Oxalic acid was used as an electrolyte. Аs a result, a porous and barrier type of oxide film appeared.
МАЗМҰНЫ
Қыcқaртулaр мен шартты белгілер ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
6
Кіріспе ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
7
1 ӘДЕБИ ШОЛУ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
8
1.1 Кеуекті құрылымның пайда болу механизмі ... ... ... ... ... ... .. ..
9
1.2 Кеуекті алюминий оксидінің құрылымдық өздігінен құралуы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
11
1.3 Анодтық алюминий оксидінің микроқұрылымына әсер ететін анодтық параметрлер ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
12
1.4 Анодты алюминий оксидінің кеуек қабырғалары бетінің модификациясы ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
16
1.5 Механикалық кернеулердің моделі ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ...
18
1.6 Кеуектіліктің 10 %-дық ережесі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
19
1.7 Анодты кеуекті алюминий оксиді негізіндегі наноқұрылымды мембраналардың қолданылуы ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ...
21
2 ТӘЖІРИБЕЛІК БӨЛІМ ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
25
2.1 Электрохимиялық анодтау әдіі арқылы алюминий оксидінің кеуекті құрылымдарын алу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
25
2.2 Кеуекті алюминий оксиді негізіндегі мембраналарды қымыздық қышқылда алу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
28
2.3 Анодты кеуекті алюминий оксиді негізіндегі мембраналарды зерттеудің құрылымдық әдістері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
31
3 НӘТИЖЕЛЕР ЖӘНЕ ОЛАРДЫ ТАЛҚЫЛАУ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
39
Қорытынды ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
49
Қолданылған әдебиеттер тізімі ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
50
ҚЫCҚAРТУЛAР МЕН ШАРТТЫ БЕЛГІЛЕР
дипломдық жұмыста келесі қысқартулар мен шартты белгілер қолданылды:
КАА - кеуекті анодты алюминий
СЭМ - сканерлеуші электронды микроскоп
АКМ - атомдық күштік микроскоп
АКАО - анодты кеуекті алюминий оксиді
ААО - анодтық алюминий оксиді
КІРІСПЕ
Дипломдық жұмыстың өзектілігі: Зерттеушілердің наноөлшемді материалдарды жасаудағы қызығушылығы қазіргі заманғы үрдістің микро және наноэлектрондық құрылғылардың миниатюризациясына бағытталған тікелей салдар болып табылды. Нанометр өлшемі бар материалдардың электрлік, магниттік, оптикалық, жылу және механикалық қасиеттерін түсіну үшін, сондай-ақ оларға негізделген жаңа физикалық қасиеттері бар құрылғылар жасау, нанонүктелер, нанокеуектер, нанотүтіктер және наножіпшелер массивтері сияқты нормативті құрылымдар практикалық және ғылыми қызығушылық туғызады.
Материалдарды синтездеудің тиімді және технологиялық қарапайым әдісі болып табылатын наноқұрылымды материалдың нанокеуектерінің макроскопиялық бетте периодты түрде орналасуы анодтау процесі болып табылады. Анодтау технологиясы бұрыннан белгілі, бірақ соңғы кездері белгілі бір морфологиямен берілген, арнайы қасиеттері бар кеуекті қабықша алу үшін осы процесті қолдану белсенді түрде жетілдірілді.
Анодтық алюминий оксидтерін (AAО) қолдану саласы әрдайым кеңею үстінде. Осы материалдарға негізделген мембраналар [1], электронды техника объектілері және басқалары соңғы жылдары кеңінен қолданыс тапты. Алюминий оксидінің қабатының құрылымы 50-500 нм өлшемдегі гексагональды ұяшық жиынтығы екені белгілі. Оксидтік қабықша қорғаныш қасиеттерге ие, мысалы, жоғары коррозияға төзімділік, беріктік және қаттылық [2]. Жасушалардың геометриялық параметрлеріне электролиттің құрамы, электр түзілу режимдері, температура, үлгі бетінің уақыты мен кедір-бұдырлығы әсер етеді.
Жұмыстың мақсаты - электрохимиялық анодтау процесі арқылы кеуекті алюминий оксиді негізінде мембраналарды алу және олардың қасиеттерін зерттеу.
Зерттеу объектілері: анодты кеуекті алюминий оксиді негізіндегі наноқұрылымдалған мембраналар.
Зерттеу әдістері: алынған үлгілердің құрылымы Quаnta 200i 3D сканерлеуші электрондық (FEI Company, АҚШ, 2008)және DM 6000 (Leica, Германия)оптикалық микроскоптарда зерттелді.
Бітіру жұмысын орындау барысында төмендегідей тапсырмалар қойылды:
электрохимиялық анодтау процесін игеру;
нанокеуекті алюминий оксидінің қабатын алу;
Өңдеу жағдайына байланысты қабаттың өсу режимдерін анықтау;
АКАО негізіндегі алынған мембраналардың құрылымдық параметрлерін (мембрана қалыңдығы, кеуек диаметрі, кеуек орталықтарының арасындағы қашықтық) зерттеу;
анодтау процесінде қолданылған технологиялық параметрлерді салыстыра отырып, анодтау процесінің тиімді параметрлерін анықтау.
1 ӘДЕБИ ШОЛУ
Алюминийдің екі сатылы анодтық тотығуымен алынған кеуекті анодтық алюминий қабаттары (анодтық алюминий оксиді - AAO), бірегей наноқұрылымдық материал болып табылады [3, 4]. ААО қабаттары бетіне қатаң перпендикуляр орналасқан гексагоналды қапталған цилиндрлік кеуектерді қамтиды. Наномембрана ретінде немесе нанобілік және жіп синтезі үшін арналған үлгі ретінде нанодеңгейде негізделген наноқұрылымды материал алу қарапайым әдіс болып табылады.
Өзін-өзі реттеу процесінде кеуектің түзілуі және олардың бірдей қашықтық пен бірдей диаметрде орналасуы көп қышқылдар мөлшерін (қымыздық, күкірт, фосфор, т.б.) пайдаланылуы мен кернеу өзгерісінің кең диапазонында байқалады. Кеуектің диаметрі және көршілес кеуектер арасындағы қашықтық U кернеуіне байланысты болып келеді. Кеуек диаметрі шамамен D(nm)=1.2xU -ға тең, мұндағы кернеу Вольтпен V белгіленеді, ал кеуектер арасындағы қашықтықты L(nm)=2.5xU(V) формуласымен табуға болады. Мысалы, кернеу 30 Вольт болған кезде, шамамен 40 нм болатын кеуек диаметрін (рН ~ 1 ерітіндіде) алуға болады. Кеуек ұзындығының оның диаметріне қатынасы ~ 1 ден ~ 104-не дейін өзгеруі мүмкін [3, 4].
Нанокеуектің алюминий оксидінде қалыптасу әдісі қарапайым, әрі қол жетімді. Бұл әдіс потенциалды қолдану үшін өте маңызды, оны өнеркәсіптік енгізу үшін масштабтауға болады. Сондықтан ААО және оның қалыптасу әдістері әлі қарқынды зерттелуде.
ААО қабаттары нанобілік және наножіпше сияқты әртүрлі материалдардың қалыптасуын үлгі ретінде пайдалануы үшін, мембрана, плазмалық қондырғылар және тағы басқаларды қалыптастыру үшін болашағы зор болып келеді. ААО қабаттары практикалық қолдануда маңызды болатын екі өлшемді фотонды кристалдың жоғары реттелген массивтердің синтезі үшін, полимерлі наноқұрылымның, нанотүптелген көміртек нанотрубкаларының өсуі үшін қолданылуы мүмкін [5, 6].
Биосенсорлар және мембраналар. Шағын органикалық молекулалар, макромолекулалар, тіпті бактериялар мен вирустардың биосенсорлық мониторингі үшін реттелген полимерлерді ААО матрицасының қолдануымен жасауға болады [7, 8]. ААО-ның биомедициналық жағдайда қолдануының келешегі зор болып келеді. Бұл [9] жұмыста ісіктік және сау жасушаға арналған биоүйлесімді электроактивті төсеніш жасау үшін ААО-ның келешегі көрсетілген. [10, 11] жұмыста ААО-ны қолдануымен титан негізіндегі сүйек импланттары үшін жаңа жабындылар жасалынды.
Мембраналық фильтрация технологиясының жаңадан өңделуі су ресурстарының тапшылығы және су сапасының нашарлау жағдайында маңызды мәселе болып табылады. Мембраналар құру үшін наноматериалдарды [12] су тазарту, газсыздандыру және дезинфекциялау үшін пайдалану, олардың кең мүмкіндіктерін көрсетеді. Технология мен өнеркәсіптің түрлі салаларында полимерлік мембрананы пайдаланған кезде кездесетін негізгі мәселе, тесіктердің балдырлануы және мембрананың саптан шығып кетуі [13]. Қаптап өсіп кетуге және бактерияға қарсы қоспалар ретінде TiO2 және ZnO нанобөлшектері қолданылады (мысалы, [14] жұмыс, өйткені гибридті мембрананы олардың негізінде өндеу маңызды). Алайда ААО -дағы мембрананың мүмкіндігі нақты ашылған жоқ, өйткені өлшемі 1 ден бастап 10нм-ға дейін болатын кеуек өлшеміндей нанофильтрленген мембраналар молекулалық массасы 300 ден жоғары және тұздың шамамен 40-80%-ының органикалық қосылысын ұстап тұрады. Мұндай мембраналар биомедициналық қолдануға келешегі зор болып табылады.
Магниттік металдық наножүйелер (Ni, Co, Fe және т.б.) биомедициналық мақсаттарда, жады мен логика элементтері үшін, түрлі магниттік-электронды құрылғылар үшін көп қолданылады [15]. Негізгі мәселе нанокеуекті алюминий оксиді өте жақсы сәйкес келетін пішіні мен өлшемі бірдей болатын наноталшықтардың синтезделуі, мысалы, AАО матрицасы көмегімен TiO2 қабығындағы кобальт талшықтарынан наноқұрылымдар алынған [16].
Осылайша, ААО бұрыннан бері зерттеліп келді, бірақ бұл материалды зерттеудің өзектілігі мен ғылыми маңыздылығы нанокеуекті алюминий оксидінің қолдану саласын кеңеюі арқылы жоғары болып қала береді. Әдебиеттердегі талдау көрсеткендей, мәселелер:
:: ААО-ның жаңа әдістерін өңдеу,
:: AAО-дан наномембраналар құру,
:: ААО матрицасындағы түрлі материалдардың наноталшықтары әлі күнге дейін сұранысқа ие және көп жағдайда шешілмеген болып қалды.
Кеуекті құрылымның пайда болу механизмі
Анодтаудың бастапқы кезеңінде, барьерлі мен кеуекті типтегі қабықша қалыптасқанда, екі график бірдей болады. Алайда барьерлі типтегі қабықшасындағы ток тығыздығы экспоненциалдық түрде төмендейді, және соңында, ток тығыздығы иондық ток компонентінің үлесіне тең болады [17]. Потенциостатикалық тотығу кезіндегі анодта пайда болатын қабықша түрі хроноамперметриялық қисықтың түрін анықтайды [18].
Тотығудың бірінші кезеңінде кеуекті типті қабықша қалыптасқан жағдайда, ток тығыздығы күрт төмендейді (1 суреттің 1-ші бөлігінде) , одан соң 2-ші бөліктен минимум арқылы өтеді, содан кейін күрт артады және максимум (3-бөлік) арқылы өтеді, осылайша тұрақты мәнге жетеді (4-бөлік) [18]. Кеуекті қабықша түрін қалыптастыруға сәйкес, jp тогын екіге бөлуге болады: jb - қабықша қалыптасқандағы барьерлі типтегі ток тығыздығы, jhp - қалыптасқан кеуекпен байланысқан ток тығыздығына сәйкес гипотетикалық ток тығыздығы. Ток тығыздығы jp берілген потенциалмен анықталады, ал jhp тотығу кезіндегі, анодтау кедергісіндегі қолданылған электролитке, температураға байланысты анықталады [17].
----------------------------------- ----------------------------------- ----------
----------------------------------- ----------------------------------- ----------
----------------------------------- ----------------------------------- ----------
1-ші кезең - барьерлік қабаттың өсуі; 2-ші кезең - оксидтік қабықшадағы электр өрісінің тереңдеуіндегі күш желісінің концентрациясы; 3-ші кезең - күш желісі мен жергілікті қызып кетуді оқшаулауына байланысты кеуектердің пайда болуы; 4-ші кезең - кеуектердің біркелкі өсуі
----------------------------------- ----------------------------------- ----------
----------------------------------- ----------------------------------- ----------
Сурет 1. Кеуекті құрылым қалыптасу кезеңдерінің схемалық көрінісі
----------------------------------- ----------------------------------- ----------
----------------------------------- ----------------------------------- ----------
----------------------------------- ----------------------------------- ----------
jb - барьерлік типіндегі пленканы қалыптасу кезіндегі ток тығыздығы. jp - кеуекті типті пленканың қалыптасу кезіндегі ток тығыздығы. jhp - jp және jb арасындағы айырмашылықты көрсететін гипотетикалық ток тығыздығы
Сурет 2. Тұрақты кернеу кезінде ток тығыздығының анодтау уақытына тәуелділігі
Кеуектің қалыптасу механизмі схемалық түрде 1-суретте көрсетілген. Токтың уақытқа тәуелділігі төрт бөлікке сәйкес келетіндіктен, кеуектердің қалыптасуы төрт кезеңнен тұрады (2-сурет). Тотығудың бірінші кезеңінде алюминийдің беті электр тогын өткізбейтін алюминий оксидінен тұратын (ρ = 1010 - 1012 Ом‧см [19]) барьерлік қабат түзіледі. Электр өрісінің кернеулігі оксидті қабықшаның тереңдігінде (2-суреттегі 2-кезең) күрт артады, бұл жергілікті температураның жоғарылауына байланысты оксидті еріту процесінің төгілуіне әкеледі (2-суреттегі 3-кезең) [17].
Көршілес нүктелер заряды ағынының бәсекелестігін ескере отырып, кеуектердің кейбір бөлшегі өсуін тоқтатады, бұл хроноамперметриялық қисықтағы ток тығыздығының тек төмендеуіне әкеледі (2-суреттегі 4-кезең). Соңында, jp кеуектердің біркелкі өсуіне сәйкес келетін тұрақты мәнге жетеді. Тотығу процесінің ұзақтығына сәйкес ток тығыздығының белгілі бір мәнге төмендеуі анодтық алюминий оксидінің кеуектерінде иондардың диффузиясының кедергісімен байланысты [20].
1.2 Кеуекті алюминий оксидінің құрылымдық өздігінен құралуы
1995 жылы Масуда мен оның әріптестері анодтық алюминий оксиді қабықшасының жеткілікті ауқымды аймақта гексагоналды ретпен орналасқан кеуектің алу әдісін ұсынды. Гексагоналды түрде реттелген кеуек құрылымын алу үшін алюминийдің екі сатылы тотығу әдісі немесе наноиндентер көмегімен алюминий бетіне реттелген құрылымды жағу әдісі қолданылды [21, 3]. Дегенмен, гексагоналды реттелген кеуектің құрылымы электролит концентрациясының және кернеудің өте тар интервалында қалыптасты. Кеуекті құрылымның реттелуі ұзақ тотығу процесі кезінде көршілес кеуектердің арасындағы тебіліс күштердің пайда болуымен түсіндіріледі [22]. Бұл теория кернеудің механикалық моделі деп аталды [22, 23].
а) салмағы 1.7 . 25В кернеудегі % H2SO4; б)салмағы 2.7 . 40 В кернеудегі % H2C2O; в)салмағы 1.195 В кернеудегі % H3PO4
Сурет 3. Ерітіндегі тотығу нәтижесінде алынған анодтық алюминий оксид қабықшаларының микрофотолары, оның құрамында [22]
Бұл теория алюминийдің тотығу процесінде атомдық тығыздығы металдық алюминийден 2 есе аз болатын оксид қалыптасады деп негізделеді. Осылайша, анодтау кезінде көлем шамамен екі есеге артады. Қабықша бетіндегі алюминий оксидінің көлемдік кеңеюі нәтижесінде кернеулердің қысылуы пайда болады, ол реттелген кеуектік құрылым қалыптасуына себептеседі. Сонымен қатар, осы [24] жұмыс авторлары, әртүрлі электролитпен синтезделген көршілес кеуектер центрінің ішкі диаметрі мен қашықтығының қатынасы іс жүзінде бірдей екенін анықтаған, DішкіDсырт = 0.20 +- 0.02 құрайды (3-сурет). Идеалды түрде реттелген құрылымның қалыптасуының жақындағанына қарағанда, диаметрлердің мынадай қатынасы 10% кеуектілікті қамтамасыз етеді. Сонымен қатар, кеуек қабырғасы қалыңдығы бойынша біркелкі емес және тығыздығы көп болатын ішкі және тығыздығы одан аз болатын сыртқы қабаттарды қамтиды. Мұндай қарама-қарсылық сыртқы қабатта абсорбталған қоспалық иондардың болуымен , ал ішкі қабатта тығыз және таза алюминий оксидтің болуымен түсіндіріледі [17].
Егер кеуектіліктің маңызына байланысты гексагоналды реттелген құрылым қалыптасу үшін рН электролитін біле тұра, P=10% деп алсақ, реттелген кеуекті құрылым қалыптасу үшін анодтау кернеуін, кеуектің ішкі диаметрін таңдауға болады. Сонымен қатар, анодтау процесі жүретін рН параметрін өзгерте отырып, кеуектер диаметрін де өзгертуге болады. Сондай-ақ, мақала авторлары [24] Джессенски ұсынған он пайыздық кеуек ережесі механикалық кернеу үлгісімен жақсы келісілетінін көрсетті.
1.3 Анодтық алюминий оксидінің микроқұрылымына әсер ететін анодтық параметрлер
Сурет 4. Пайдаланылатын кернеуден кеуектер центрі арасындағы қашықтық тәуелділігі
4-суретте көрсетілгендей, тотығу жүргізілетін кеуек центрлері арасындағы қашықтық кернеуге пропорционал. Пропорционал коэффициенті 2.2 ден 2.8 нмВ-қа дейінгі интервалда жатыр. Пайдаланылатын кернеудің шамасы барьерлік қабаттың қалыңдығын анықтайды, ол реттелген құрылым қалыптасқан жағдайда кеуектер центрі арасындағы қашықтықтың жартысына тең болады. Сонымен қатар, анодтау процесінде кернеуді өзгерте отырып иерархиялық кеуек құрылымына ие анодтық алюминий оксидінің мембранасы синтезделуі мүмкін [25]. Кернеу √n-де азайғанда, бір кеуек n кеуектерге тармақталады. (5-сурет) [17].
Ішкі кеуек диаметрі алюминий оксидінің ерігіштігінің жылдамдығына тәуелді, сәйкесінше тотығу жүретін процесте рН ортаға тәуелді екендігі анықталды. pH электролиті төмен болған сайын, кеуек түбіндегі қыздыру әсерінен оксидті еріту үшін кернеуді едәуір төмен етіп алуға болады. Осылайша, рН электролиттің төмендеуі кіші диаметрлі құрылымды кеуек құруға мүмкіндік береді. Ең минималды параметрлері бар құрылымдар тотығу кезінде мықты қышқылдарда пайда болады (мысалы, 25 В-та H2SO4 ерітіндісінде pH =1.09 кеуек периодтылығы ~ 65 нм және диаметрі 24 нм болатын пленкалар пайда болады) [17].
Сурет 5. Кеуекте синтезделіп тармақталған a) 2; b) 3; c) 4 және d) 16 көміртекті нанотрубкалар микрофотосы
Сурет 6. Жергілікті қызып кетудің нәтижесінде анодтық алюминий оксид пленкасының бұзылуы
Анодтық тотығу жүрген кезде электролиттің температурасы төмен болуы керек. Бұл жоғары температурада алюминий оксидінің химиялық ерітіндісінің жылдамдығы артып кетуімен байланысты. Сонымен қатар, төмен температура анодтау барысында электрохимиялық тотығу кезінде бөлінетін жылу есебінен қызып кетудің алдын алу үшін қажет.
Жергілікті қызып кету электр өрісі кернеуінің біркелкі емес таралуына әкеледі, бұл оксид қабатының бұзылуына әкелуі мүмкін. Осылайша, температураны бақыламайтын болсақ, қабықшадада сызаттар пайда болуы мүмкін (6-сурет). Сонымен қатар, анодтық температура оксидтік қабаттың өсу жылдамдығын анықтайды: температура неғұрлым төмен болса, соғұрлым қабықшаның өсу жылдамдығы төмен болады [17].
[26] жұмыс авторлары бастапқы алюминийдегі қоспаның қалыптасқан қабықшаның микроқұрылымына әсер етуін зерттеді. Осы деректерге сәйкес, жоғары тазалыққа ие алюминийдің (99.99%) екі сатылы анодталуы кезінде диаметрі шамамен 50 нм болатын цилиндрлік кеуектің өлшемімен біркелкі болатын құрылым пайда болады (7а-сурет). Кеуектер гексагоналды түрде шамамен мөлшері 1,1 мкм болатын домендерде реттеліп орналасқан. Реттелген аймақтар астық шекарасымен бөлінген. Домендер бір-біріне арнайы бұрыш бойынша бағытталған [17].
а)
а)
Сурет 7. 99.99% болатын алюминий тазалығынан (а) синтезделген анодты алюминий оксидінің микроқұрылымы
б)
б)
в)
в)
94% алюминий тазалығы (б); 600 ° C температурада N2 тогында 1 сағат ішінде рекристалданған 94% алюминий тазалығы (в)
Сурет 7 жалғасы
Темір, кальций және магний қоспасы бар алюминийдің (Alcan heavy duty aluminum foil, 94%) анодталуы кезінде, жоғары тазалығы бар алюминийден сипаттамалары жағынан ажыратылатын құрылым пайда болады .Бұл жағдайда, реттелмеген кеуек құрылымы пайда болады, сонымен қатар, кеуек пішіні цилиндрдің пішініндей болмайды, олардың өлшемі 25-тен 60 нм-ге дейін өзгеріп отырады. Құрылымда центрлері арасындағы қашықтық өлшемі 60-тан 120 нм-ге дейін болатын кеуектің параллель қатарлары бар екенін атап кеткен жөн. Кеуектер қатарлар арасында реттелмеген түрде орналасады. Қатарлар бағыты алюминий фольгасының прокаткасының бағытымен сәйкес келеді (7б-сурет). 7в-суретте анодтаумен синтезделген, алюминийлік фольгамен рекристалданған анодтық алюминий оксиді қабықшасының микрофотосы көрсетілген. Бұл жағдайда, өлшеміне қарай кеуек дисперсиясы әлдеқайда төмен болады, ал центрлері арасындағы орташа қашықтық 80 нм-ді құрайды. Алайда, бұл жағдайдағы гексагоналды түрде реттелген кеуек фрагменттері өте аз және тек бірнеше кеуектерден тұратынын атап кеткен жөн. Сонымен қатар, 7в-суретте диаметрі шамамен 500 нм-ді құрайтын микрокеуек көрсетілген, бірақ мұндай микрокеуектер қабықшаның бүкіл қалыңдығы арқылы өтпейді.
Осылайша, анодтық алюминий оксидінің негізіндегі мембраналарды синтездеу үшін жоғары тазалығы бар алюминийді қолданғандай, қоспалардың айтарлықтай мөлшері (5% дейін) бар алдын ала рекристалданған алюминийді де қолдануға болады. Жоғары тазалығы бар алюминийді қолдану біршама кеуектіліктікті мембраналарды синтездеуге мүмкіндік беретінін атап кеткен жөн. Алайда, анодтық алюминий оксидінің негізіндегі мембраналарды қолданудың технологиялық аспектілері туралы айтатын болсақ, жоғары тазалығы бар алюминийдің бағасы жеткілікті жоғары екенін ескеру керек, бұл өндірістік шығындардың елеулі ұлғаюына әкеледі. Технологиялық процестерде техникалық тазалығы бар алюминийден синтезделген анодтық алюминий оксиді негізіндегі мембраналарды қолдану өте қолайлы (қоспаның мөлшері 5% дейін) болып табылады [17].
1.4 Анодты алюминий оксидінің кеуек қабырғалары бетінің модификациясы
Анодты алюминий оксидінің кеуек қабырғалары бетінің модификациясы әр түрлі әдістер арқылы жүзеге асырылуы мүмкін, мысалы атомдық қабаттарды тұндыру немесе газ фазасындағы химиялық тұндыру арқылы, сонымен қатар, ерітіндідегі [27] полиэлектролиттердің қабатталған тұндыруы немесе иондық сұйықтықтардың химиялық иммобилизациясы қолданыла алады.
Атомдық қабаттарды тұндыру - жағылған қабаттың қалыңдығын дәл бақылау үшін өзіндік шектеулі химиялық реакцияны қолдану негізінде жұқа қабықшалар жағу технологиясы. Бұл әдісте химиялық реакциялар қолданылады, онда прекурсорлар бетпен кезектесіп әрекеттеседі, бұл ретте олар бір-бірімен тікелей әрекеттеспейді. Прекурсорларды бөлу инертті газ ағынымен реакторды үрлеу арқылы жүзеге асырылады, ал реакциялар өздігінен шектелгендіктен, қабаттың жалпы қалыңдығы реакцияның ұзақтығынан емес, циклдар санымен анықталады, оның нәтижесінде қабаттың қалыңдығын жоғары дәлдікпен бақылауға болады. Бұл процестің схемасын 8-суреттен көруге болады [28].
Атомдық қабаттарды тұндыру әдісі анодты алюминий оксидінің кеуек қабырғалары бетін әр түрлі оксидті қабаттарда қалыптастыру үшін кеңінен қолданылады, мысалы TiO2 [29], ZrO2 және HfO2 [30], SiO2 [31], V2O5 [32].
9-суретте алюминий оксидінің кеуек қабырғасына жаққаннан кейінгі мембраналар мен анодты алюминий оксидінің бастапқы мембранасының микрофотосы көрсетілген.
Сурет 8. Атомдық қабаттарды тұндыру процесінің схемасы
Сурет 9. Анодты алюминий оксидінің бастапқы мембранасының микрофотосы (A), атомдық қабатты тұндыру әдісі арқылы қалыңдығы 15 нм болатын алюминий оксиді қабатын жаққаннан кейінгі мембрананың үстіңгі беті (B) мен нақысы (C)
Газ фазасындағы химиялық тұндыру әдісін анодты алюминий оксиді кеуегінің бетіне аморфты көміртектің жұқа қабатын отырғызу үшін қолданады. Көміртекті тубулендерді синтездеу әдісін көптеген әдебиеттерден табуға болады. Синтездеу әдісі температурасы 600-800ºС аралығында болатын прекусор ретінде алкендер (этилен, пропилен) немесе алкин (ацетилен) пайдалануымен жүргізіледі. Әр түрлі уақыт аралығында көміртекті тұндыру жолымен анодты алюминий оксиді мембранасы каналында синтезделген көміртекті тубулендердің микрофотосы 10-суретте көрсетілген.
Көміртекпен қапталынғаннан кейін, кеуек қабырғасы бетінің одан әрі модификациялануы 20% азот қышқылымен өңдеу арқылы жүзеге асырылады, нәтижесінде кеуек бетінде карбоксиалды топтар [33] пайда болады немесе фторлау жолымен кеуек бетінде C-F топтары [34] пайда болады.
Көміртекті тұндыру ұзақтығы
Сурет 10. Әр түрлі уақыт аралығында тұндырылған көміртекті тубулендерден алынған РЭМ (а-с) және ПЭМ (d-f) деректері
1.5 Механикалық кернеулердің моделі
Қазіргі уақытта алюминий анодталуының ұзақтығы кезінде гексагоналды реттелген құрылымының қалыптасуын механикалық кернеу моделі (11-сурет) түсіндіреді. Бұл теорияда қарастырылатын негізгі ұстанымдар мынадай болып табылады:
Сурет 11. Анодтық тотығу кезіндегі алюминийдің көлемдік кеңеюі. Үзік сызықпен тотығуға дейінгі Al қалыңдығы белгіленген [35]
1. Тотығу электролиттегі оттегісі бар иондардың (О²⁻ немесе ОН⁻) көшуінің арқасында металлоксид бөлу шекарасында жүреді.
2. Оксидтік қабаттың еруі (қалыңдығының азаюы) қалыптасқан алюминий оксидінің гидратациясына байланысты жүреді.
3. Барьерлік типтегі оксидтік қабықшаның (кеуектің қалыптасуынсыз) өсуі жағдайында Al³⁺ барлық иондары оксид электролит бөлу шекарасына жетеді және оксидтің өсуіне ықпал етеді. Керісінше, кеуекті алюминий оксиді пайда болған кезде, оксидтік қабат арқылы диффузияланатын Al³⁺ иондарының белгілі бір бөлігі ерітіндіге айналып, оксидтік қабаттың өсуіне ықпал етпейді.
4. Оксидэлектролит бөлу шекарасында оксидтің еруі арасындағы тепе-теңдік және металлоксид шекарасында оксидтің қалыптасуы нәтижесінде алюминий бетінде кеуек перпендикуляр түрде өсе бастайды.
5. Металл алюминийдің оксидке дейін тотығуы элементарлы ұяшық (Al 1 атомына есептесек) көлемінің шамамен екі есе ұлғаюына әкеледі.
6. Оксидметалл шекарасында оксидтің қалыптасуындағы көлемдік ұлғаю қабықша жазықтығында қысылып тұрған кернеулердің пайда болуына әкеледі, олар реттелген кеуектердің қозғаушы күші болып табылады.
1.6 Кеуектіліктің 10 %-дық ережесі
Кеуекті алюминий оксидінің құрылымы электронды микроскоп көмегімен толығымен зерттелді. 12-суретте Н₂SO₄, (COOH)₂ және H₃PO₄ - те алюминийдің тотығуымен алынған жоғары реттелген алюминий оксидінің кеуекті құрылымының микрофотолары көрсетілген.
а) 0,3М H₂SO₄-те 25 В; б) 0,3М (COOH)₂ -те 40 В; в) 0,1М H₃PO₄ - те 195 В
Сурет 12. Кеуекті алюминий оксиді қабықшасының өзіндік реттелген құрылымымен электронды микроскопиясы [36]
Бүкіл суреттерде кеуек арасындағы қабырға ішкі қара қабаттан және сыртқы ашық қабаттан тұратындығы анық көрсетілген. Бұл қарама-қарсылықтың болуы қабаттардың химиялық құрамының айырмашылығы түсіндіріледі: оксидтің сыртқы қабаты бөгде иондармен ластанған, ал ішкі қабат таза алюминий оксидінің тығыз қабатын көрсетеді. Алынған суреттердің математикалық өңделуі кеуек радиусының r көршілес кеуектер центрі арасындағы қашықтыққа Dint қатынасы тұрақты шама болып табылатынын растайды (1-кестеге назар аударыңыз).
Кесте 1
Жоғары реттелген кеуек құрылымды алюминий оксиді қабықшасының құрылымды параметрлері
Электролит
Анодтау кернеуі , В
Кеуектер арасындағы қашықтық
Dint , нм
Ішкі оксид қабатының қалыңдығы Dішкі , нм
Кеуек диаметрі Dk ,нм
Кеуектілік Р, %
0.3 H₂SO₄
25
66
7.2
24
12
0.3(COOH)₂
40
105
9.1
31
8
0.1 H₃PO₄
195
500
54
158.4
9
Кеуектің гексагоналды орналасуымен алюминий оксиді қабықшасының кеуектілігін геометриялық ойларға сүйене отырып, мына формуламен анықтауға болады:
P = VкеуекV = Sкеуек ‧ HS‧H = 2PI3rDint2 (1)
Dint = kU (2)
Тәжірибеде байқалынатын реттелген құрылымды алюминий оксиді қабықшасындағы тұрақтылық қатынасымен rDint кеуектілік тұрақтылығы да болады. Жиі пайдаланылатын кернеу-электролит жұптары үшін бұл шама шамамен 10% құрайды (1 кестеден қараңыз). Н₂SO₄ - те алынған (P 10%) қабықшаның біршама кеуектілігі синтездеу процесіндегі қышқылдағы химиялық өңдеумен байланысты.Салыстыру үшін: реттелмеген құрылым қалыптасқан жағдайда кеуектілік 10 % -дан әлдеқайда артық не кем болады.
Dint пайдаланылатын кернеуге тәуелді екені белгілі. Сонда (1) және (2) өрнектерді ескере отырып, былай жазуға болады:
U= 2PIР3 *rk (3)
Өзіндік реттелген кеуекті құрылым қалыптасуының оңтайлы жағдайларында Р = 10% деп санауға болады. Осылайша, берілген кеуек радиусы бойынша пайдаланылатын электролитке рН тәуелді болатын өздігінен реттелетін кеуектердің өсу процесі анодтаудың арнайы кернеуіне сәйкес келеді. Алюминийдің тотығуы үшін (H₂SO₄, (COOH)₂, H₃PO₄)) жиі пайдаланылатын электролиттер рН-тің әр түрлі мәндерін қамтамасыз етеді, демек жоғары реттелген алюминий оксидінің кеуекті құрылымын алу үшін тотығу режимдері әр түрлі болуы тиіс (12 суретке қараңыз).
Электролиттің концентрациясы мен рН ерітіндісін өзгерте отырып, Al₂O₃ қабықшасының кеуектілік параметрлеріне әсер ете алады. Мысалы, электролит концентрациясын 10 есе көбеюі кеуектер арасындағы қашықтықтың (Dint) 20 %-дық кемуіне әкеледі. Күкірт қышқылы концентрациясының көбеюі 0,3М - 2М дейін Dint 65 тен 50 нм-ге дейін төмендеуіне әкеледі. Мұндай қатынастар H₃PO₄ жағдайында да байқалады.
1.7 Анодты кеуекті алюминий оксиді негізіндегі наноқұрылымды мембраналардың қолданылуы
Өндірістік процестерде түрлі токсикалық және жарылғыш газдардың қолданылуы, микро- және нанотехнологияны қолдана отырып, газ қоспасындағы компоненттер концентрациясын жүйелі түрде анықтайтын портативті әрі жоғарысезімтал газоанализаторларды ойлап табудың алғышарты болды. Ноноөлшемді ұяшықты-кеуекті құрылымдағы алюминий оксиді негізіндегі жоғары сезімтал нанокомпозиттік қабықшаларды, белгілі газдарды сезетін құрылымдар жасауға қолдануға болады. Бұл құрылымдардың негізінде түрлі типтегі қабықшалы газдық сенсорлар жасауға болады. Ноноқұрылымдалған металоксидтік қабықшалардың газдарға деген сезгіштігінің физика-химиялық механизмдері, оларды газдық сенсорларда көпретті қолдану мүмкіндіктерін анықтайды [37].
Қабықшалы газдық сенсорларда тасымалдаушы ретінде нанокеуекті алюминий оксиді негізінде дайындалған рельефті бетті қолдану ұсынылды. Бұл бет газдық сенсордың дұмыс істеу зонасының астына 10 - 40 мкм-ге дейінгі тереңдікке орналастырылады [37]. Ұсынылған технология бойынша дайындалатын микроэлектрондық чиптер, алюминидің орнына кремни қолданатын микромашининг технологиясын алмастыратын тиімді әрі арзан құрылғы болып табылады [38].
Бұл қадам, микромашининг технологиясын қолдана отырып кеуекті анодты алюминий оксиді негізінде бет ауданы айтарлықтай үлкен рельефтік беттер алуға және олардың бетіне сенсордың кез-келген элементін төсеуге мүмкіндік береді [38].
Алюминий оксидінің төмен жылуөткізгіштігі жоғары температурада жұмыс істейтін және жұмыс барысында қуат көзін аз жұмсайтын құрылғылар жасауға мүмкіндік береді. Сенсор жасауда түгелімен алюминий оксидінен жасалған элементтерді қолдану, газдық сенсордың құрамындағы материалдардың термиялық кеңею коэффициентінің әркелкілігі секілді қиындықтардың алдын алуға мүмкіндік береді. Көбіне, бұндай қиындықтар кремний қолдану арқылы жасалғна микромашиналық құрылғыларда көрініс табады [39].
Өз кезегінде, жоғары сезімтал және арзан газдық сенсорлар жасауға қалың алюминий оксиді рамкасымен ұсталатын жұқа анодты кеуекті алюминий оксидін төсеніш ретінде қолдану - перспективті шешім болып табылады [39].
Соңғы жылдарда ақпаратты көрсету құрылғыларына (теледидар, монитор, т,б), кеңірек алсақ, жұқа дисплейлерге, экрандар мен басқа да индикаторларға деген сұраныстың күрт өскендігі байқалады. Үлкен өлшемдер және төмен тиімділік (электрондық-сәулелік түтіктер),жоғары инерттілік және жұмыс істеу барысындағы пассивтілік (Cұйық-кристалдық индикаторлар), жоғары энергия тұтынушылық (светодиодтар) сияқты ақпаратты көрсету құрылғыларындағы кемшіліктер, бұл құрылғылардың есептеу техникасында қолданылуын айтарлықтай шектейді немесе мүлдем жоққа шығарады. Қазіргі таңдағы люминесценттік заттар, біріншіден, күрделі қоспаның табиғи немесе синтетикалық органикалық байланысы, екіншіден, аз жағжайда табиғи, бірақ, көбіне синтетикалық органикалық емес заттар (сульфидтер, вольфраматтар, силикаттар, т,б) және үшіншіден, бейорганикалық кристалдар мен шынылар, сондай-ақ, көбіне активтендірілген бейорганикалық қоспалар. Қолданыстағы көптеген люминаыорлардың материал құрамына деген жоғары талаптар (тазалық, компоненттер арақатынасының дәлдігі, т,б), аз уақыт қызмет етуі, дифициттілігі, жоғары құндылығы, технологиялылығының төмендігі және экологиялық қауіптілігі - көп елдің ғалымдарының белсенді түрде аталған кемшіліктері жоқ люминофорларды іздеуін қажет етеді [38-40].
Шетел ғалымдарының анодты алюминий оксиді негізінде жұқа қабықшалы лазерлер, жарық фильтрлері, оптикалық дисктер, жарықшығарғыш құрылымдар және жұқа активті ақпаратты көрсету құрылғылары сияқты оптикалық элементтер жасау мақсатында модификацияланған анодты алюминий оксидінің оптикалық қасиеттерін зерттеу жұмыстары туралы мақалалары назар аудартады [40].
Анодты алюминий оксидінің түзілу процестерін және аталған материалды анодтау процесі кезінде анодты оксид құрылымында люминисценция центрлерін жасау үшін жер бетінде аз кездесетін металл иондарымен лигерлеу әдістерін модификациялау жұмыстары жүргізілуде [40-41].
Кеуекті анодты алюминий оксидінде және оның кейбір балқымаларында электро люминесценция эффектінің табылуы, тұрақты немесе айнымалы электр өрісі арқылы қоздырылатын жұқақабықшалы жарықшығарғыш құрылымдарды жасаудың үрдісін ашты. Электро люминесценттік құрылғыларды төмен өлшемді құрылымдау, олардың жарықтық эффективтілігінің артуына әкелетіні белгілі болды [41].
Кеуекті анодты алюминий оксидін матрица немесе шаблон ретінде қолдана отырып, жоғары реттіліктегі нано өлшемді құрылымдар мен композиттік материалдар жасау - қазіргі кезде қарқынды даму үстіндегі қызықты әрі маңызды бағыт болып табылады [41].
Анодты алюминий оксидінің негізінде жұқақабықшалы нано өлшемді құрылымдарды алудың концепциясын жасау және жұқа оптикалық активті микроэлементтер мен ақпаратты көрсету құрылғыларын, электромагниттік сәуле шығару көздерін, микроэлектровакуумдық техника бұйымдарын жасау үшін бұл құрылымдарды өңдеу мен түрлі физика-химиялық әдістермен модификациялау жоғары қызығушылыққа ие [42].
Анодты кеуекті алюминий оксиді нано өлшемді құрылымдар мен композиттік материалдар алуда матрица ретінде қолданылады. Тағы бір айта кететін жайт, кеуекті алюминий оксидінің кеуектеріне металл немесе жартылайөткізкіштік кристалдарды өсіру арқылы бірегей қасиеттерге ие жаңа материалдар алуға болады. Алюминий оксидінің кеуектеріне диэлектриктік материалдың кристалдарын шоғырландыру арқылы диэлектрлік өтімділігі төмен қабықша алуға болады. Ал бұндай материалдарды интегралдық микросхемаларда төсеніш ретінде қолдану элементтер арасындағы көлемдік байланыстарды айтарлықтай төмендете отырып, аталған интегралдық микросхемалардың жылдам жұмыс жасауын қамтамасыз етеді [42-43].
Қалыңдықтары кең интервалдағы (10-2-103мкм) термотұрақтылығы мен радиациялық тұрақтылығы үйлескен анодты алюминий оксидінің сапалы диэлектриктік қабаттарын алу мүмкіндіктері, аталған өнімнің микроэлектроникада кең көлемде қолданылуының алғышарты болып отыр. Кеуекті анодты алюминий оксиді негізіндегі диэлектриктік қабықшалар электрондық құрылғылардың конструкциясында төсеніштер мен қорғағыш элементтер ретінде, гибридті жартылайөткізгіштік микросхемалардың көп бөлімді платаларының, терморадиационды тұрақты вакуумдық интегралдық схемалардың негізі ретінде, т.б қолданылады [43].
Кеуекті анодты алюминий оксиді қабықшаларының оптикалық қасиеттері фотолюминесценсия және люминесценсия мамандарының, көрінетін және жақын инфрақызыл аймақтардағы шашыратқыш фильтр жасаушы мамандардың қызығушылығын тудырып отыр. Соңғы кездері кеуекті анодты алюминий оксиді негізінде жұқақабықшалы кванттық генераторлар жасауға қолдануға болатын рубинді қабықшалар алу мүмкіндіктері туралы да ақпараттар түсуде. Сонымен қатар, кеуекті анодты алюминий оксиді жұқақабықшалы сенсорлар жасауда және мультисенсорлық бақылау жүйелерінде қолданыс табуда [40-41].
Кеуекті анодты алюминий оксиді қабықшалары ноно өлшемді мезоскопиялық құрылымдар үшін бетперде ретінде де қолданылады. Нано құрылымдалған кеуекті анодты алюминий оксидін құрылымы нүктелік және бағаналы нано өлшемді жіпшелер алуда қолдану бағыты бойынша зерттеу жұмыстары жүргізілуде. Кеуектерді толтыру металды вакуумдық немесе электрохимиялық отырғызу арқылы жүзеге асырады, және декеуекті анодты алюминий оксиді кеуектерінде алюминидің астына төселген басқа бір металдың тотығын өсіру арқылы жүргізеді [43].
Өте тығыз магниттік тасымалдаушы, автоэммиссионды эмиттерлері бар вакуумдық құрылғылар, жарық шығарғыш диодтар, оптоэлектроника үшін поляризаторлар, өрістік эмиссиялы дисплейлер сияқты электрондық құрылғылардың жаңа класын жасауда кеуекті анодты алюминий оксиді негізіндегі наноқұрылымдалған мембраналарды қолдану бағытында айқын қадамдар жасалуда [44].
Анодты кеуекті алюминий оксиді негізіндегі диэлектриктік пленкалары электрондық құрылғылардың конструкциясында төсеніштер мен қорғаушы элементтер ретінде, гибридті жартылайөткізгіштік микросхемалардың көп бөлімді платаларының, терморадиационды тұрақты вакуумдық интегралдық схемалардың негізі ретінде, т.б. аймақтарда қолданылады [44].
Анодты кеуекті алюминий оксиді пленкаларының оптикалық қасиеттері фотолюминесценсия және люминесценсия мамандарының және көрінетін және жақын инфрақызыл аймақтардағы шашыратқыш фильтр жасаушы мамандардың қызығушылығын тудыруда. Сонымен қатар, анодты кеуекті алюминий оксиді жұқа пленкалы сенсорлар жасауда және мультисенсорлық бақылау жүйелерінде қолданыс табуда [45].
Наноқұрылымды анодты кеуекті алюминий оксидінің негізінде әр түрлі наноқұрылымды материалдар алынады. Кеуектерді металдармен толтыру вакуумдық немесе электрохимиялық әдістер арқылы жүзеге асырылады [45].
Анодты кеуекті алюминий оксидінің біршама қалың (1 мкм-ден қалың) қабаттары заманауи техникада матрицалық сенсорлар мен газдық сүзгіштер мембраналары ретінде, жарықөткізгіштер ретінде, көміртекті нано түтіктер мен магнитті нано жіпшелердің матрицасы ретінде, т.б. мақсаттарда қолданылады [45].
2 ТӘЖІРИБЕЛІК БӨЛІМ
2.1 Электрохимиялық анодтау әдісімен алюминий оксиді кеуегінің құрылымын алу
Металл бетіндегі алюминий оксидінің қабықшалары
Стандартты жағдайларда (сондай-ақ ауада) металды алюминийдің беті өздігінен тотығады, бұл еркін Гиббс энергиясындағы үлкен теріс өзгеріспен түсіндіріледі:
2Al(қ) + 32О2(г)--Al2O3(аморф); G2980 = -1308 кДжмоль (4)
Тотығу процесі судың бетін сулаған кезде де өтеді:
2Al(қ) + 3Н2О(с) --Al2O3(аморф); G2980 = -597 кДжмоль (5)
Металл бетінде пайда болатын тығыз оксидті қабаттың қалыңдығы біршама (5-20 нм шамасында)болады және металды одан әрі тотығудан қорғайды.
Оксидтік қабықшаны алудың балама әдісі - алюминийдің электролиттегі су ерітінділерінде электрохимиялық тотығуы (анодталуы). Бұл жағдайда Al2O3 қалың қабатын алуға болады. Оксидтің өсуі анодта жүреді:
Al(қ) + 3+n2Н2О(с)-3e⁻=12Al2O3*Н2Оₙ(қ)+ 3Н⁺, мұндағы n=03 (6)
ал катодта сутек иондары өз қалпына келеді:
Н⁺ + e⁻=12Н2(г)↑ (7)
Анодта (Al) жүретін реакция электродтың потенциалына, температураға, өз кезегінде қолданылатын электролитпен анықталатын рН ортаға тәуелді.
Алюминий оксидінің полиморфты және гидратты түрлерінің алуан ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Дипломдық жұмыс 53 беттен, 29 суреттен, 4 кестеден және 53 әдебиеттер тізімінен тұрады.
Өзекті сөздер: кеуекті алюминий оксиді, мембраналар, электрохимиялық анодтау, қымыздық қышқыл.
Жұмыстың мақсаты - электрохимиялық анодтау процесі арқылы кеуекті алюминий оксиді негізінде мембраналарды алу және олардың қасиеттерін зерттеу.
Зерттеу объектілері: анодты кеуекті алюминий оксиді негізіндегі наноқұрылымдалған мембраналар.
Кеуекті анодты оксидтік қабықшалар алюминий, кремний, индий фосфиді, титан, ниобий, тантал, қалайы сиякты материалдарда өсіріле алады. Нанокеуекті оксидтік қабат құруға келешегі зор материалдың бірі алюминий болып табылады. Анодты алюминий оксиді наноөлшемді болып келетін ұяшықты-кеуекті құрылыммен, жоғары механикалық беріктікпен, бірегей диэлектрлік және оптикалық қасиеттермен сипатталады. Анодтау шарттарын өзгерту есебінен анодты алюминий оксидін құрылымдық - морфологиялық және электрофизикалық сипаттамаларының кең спектрін алуға болады.
Кеуекті анодты алюминий оксиді наноөлшемді құрылым мен композиттік материалдар құру үшін матрица ретінде қолданылады. Металдық немесе жартылай өткізгіштік нанокристалдарды алюминий оксидінің қуыстарына енгізу арқылы ерекше қасиеті бар материал жасауға мүмкіндік бар. Алюминий оксидінің қуыстарын диэлектрлік материалмен толтырсақ, диэлектрлік өтімділігі төмен болатын қабықшаны алу мүмкіндігі туады. Мұндай материалдарды интегралды микросхема қабықшасы ретінде пайдалану элементтер арасындағы сыйымдылық байланыстарын төмендетеді де, дайындалатын аспаптардың өнімділігін арттырады.
Мембраналық фильтрацияның жаңа технологиялық өңдемесін биомедициналық тұрғыда қолдану үшін, мысалы су ресурсының жетіспеу және оның сапасының нашарлау жағдайы үшін өзекті мәселе болып табылады. Наноматериалдарды мембраналар жасау үшін пайдалану олардың суды тазалау, газсыздандыру және дезинфекциялау үшін кең мүмкіндіктерін көрсетеді.
Тәжірибелік жұмысты жасау үшін электрохимиялық анодтау әдісін пайдалана отырып, кеуекті оксидті алюминий негізіндегі қабықшалар алынды. Бұл процесте кеуекті алюминий түрлі қышқылдарда синтезделді. Электролит ретінде қымыз қышқыл қолданылды. Соның нәтижесінде, оксидтік қабықшалардың кеуекті және барьерлі түрі пайда болды.
Реферат
Дипломная работа состоит из 53 страниц, 29 рисунков, 4 таблиц и 53 литературных списков.
Актуальные слова: пористый оксид алюминия, мембраны, электрохимическое анодирование, щавелевая кислота.
Цель исследования - изучение свойств мембран на основе пористого оксида алюминия путем электрохимического анодирования.
Объекты исследования: наноструктурные мембраны на основе анодного пористого оксида алюминия.
Пористые анодные оксидные пленки могут быть выращены на таких материалах, как алюминий, кремний, фосфид индия, титан, ниобий, тантал, олово и др. Наиболее перспективным материалом для создания нанопористых оксидных слоев является алюминий. Анодный оксид алюминия обладает уникальной наноразмерной ячеисто-пористой структурой, высокой механической прочностью, уникальными диэлектрическими и оптическими свойствами. За счет изменения условий анодирования возможно получение анодных оксидов алюминия с широким спектром структурно - морфологических и электрофизических характеристик.
Пористый анодный оксид алюминия используется как матрица для создания наноразмерных структур и композитных материалов. Путем встраивания в поры оксида алюминия металлических или полупроводниковых нанокристаллов возможно создание материалов с уникальными свойствами. Заполнение пор оксида алюминия диэлектрическими материалами позволяет получить пленку с низкой диэлектрической проницаемостью. Применение таких материалов в качестве подложек интегральных микросхем позволит значительно снизить емкостные связи между элементами и, тем самым, повысить быстродействие разрабатываемых приборов.
Разработка новых технологий мембранной фильтрации является актуальной задачей для биомедицинских применений, в условиях нехватки водных ресурсов и ухудшения качества воды. Использование наноматериалов для создания мембран демонстрирует их широкие возможности для очистки воды, ее дегазации и дезинфекции.
Для проведения эксперимента были получены пленки на основе пористого оксида алюминия с использованием электрохимического метода анодирования. В этом процессе пористый алюминий синтезируется в различных кислотах. В качестве электролита использовали щавелевую кислоту. В результате появился пористый и барьерный тип оксидных пленок.
ABSTRACT
The graduate work consists of 53 pages, 29 pictures, 4 tables and 53 literary lists.
Main words: porous alumina, membranes, electrochemical anodizing, kumysic acid.
The purpose of the work - studying the properties of membranes based on porous alumina by electrochemical anodizing.
Objects of research: nanostructured membranes based on anodic porous aluminum oxide.
Porous anodic oxide films can be grown on materials such as aluminum, silicon, indium phosphide, titanium, niobium, tantalum, tin, etc. Aluminum is the most promising material for creating nanoporous oxide layers. Anodic aluminum oxide has a unique nano-sized cellular-porous structure, high mechanical strength, unique dielectric and optical properties. Due to changes in anodizing conditions, it is possible to obtain anodic aluminum oxides with a wide range of structural, morphological and electrophysical characteristics.
Porous anodic aluminum oxide is used as a matrix for creating nanoscale structures and composite materials. It is possible to create materials with unique properties by incorporating into the pores of oxide metal or semiconductor nanocrystals. Filling the pores of aluminum oxide with dielectric materials makes it possible to obtain a film with a low dielectric constant. Using of such materials as integrated of circuits substrates will help significantly reduce the capacitive coupling between the elements and it increases the speed of developed devices.
Development of new technologies of membrane filtration is relevant for biomedical applications, in conditions of lack of resources and deterioration of water quality. The use of nanomaterials to create membranes demonstrates their wide possibilities for water purification, it is degassing and disinfection.
For the experiments, the films were obtained on the basis of porous aluminum oxide using the electrochemical anodizing method. In this process, porous aluminum is synthesized in various acids. Oxalic acid was used as an electrolyte. Аs a result, a porous and barrier type of oxide film appeared.
МАЗМҰНЫ
Қыcқaртулaр мен шартты белгілер ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
6
Кіріспе ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
7
1 ӘДЕБИ ШОЛУ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
8
1.1 Кеуекті құрылымның пайда болу механизмі ... ... ... ... ... ... .. ..
9
1.2 Кеуекті алюминий оксидінің құрылымдық өздігінен құралуы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
11
1.3 Анодтық алюминий оксидінің микроқұрылымына әсер ететін анодтық параметрлер ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
12
1.4 Анодты алюминий оксидінің кеуек қабырғалары бетінің модификациясы ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
16
1.5 Механикалық кернеулердің моделі ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ...
18
1.6 Кеуектіліктің 10 %-дық ережесі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
19
1.7 Анодты кеуекті алюминий оксиді негізіндегі наноқұрылымды мембраналардың қолданылуы ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ...
21
2 ТӘЖІРИБЕЛІК БӨЛІМ ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
25
2.1 Электрохимиялық анодтау әдіі арқылы алюминий оксидінің кеуекті құрылымдарын алу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
25
2.2 Кеуекті алюминий оксиді негізіндегі мембраналарды қымыздық қышқылда алу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
28
2.3 Анодты кеуекті алюминий оксиді негізіндегі мембраналарды зерттеудің құрылымдық әдістері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
31
3 НӘТИЖЕЛЕР ЖӘНЕ ОЛАРДЫ ТАЛҚЫЛАУ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
39
Қорытынды ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
49
Қолданылған әдебиеттер тізімі ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
50
ҚЫCҚAРТУЛAР МЕН ШАРТТЫ БЕЛГІЛЕР
дипломдық жұмыста келесі қысқартулар мен шартты белгілер қолданылды:
КАА - кеуекті анодты алюминий
СЭМ - сканерлеуші электронды микроскоп
АКМ - атомдық күштік микроскоп
АКАО - анодты кеуекті алюминий оксиді
ААО - анодтық алюминий оксиді
КІРІСПЕ
Дипломдық жұмыстың өзектілігі: Зерттеушілердің наноөлшемді материалдарды жасаудағы қызығушылығы қазіргі заманғы үрдістің микро және наноэлектрондық құрылғылардың миниатюризациясына бағытталған тікелей салдар болып табылды. Нанометр өлшемі бар материалдардың электрлік, магниттік, оптикалық, жылу және механикалық қасиеттерін түсіну үшін, сондай-ақ оларға негізделген жаңа физикалық қасиеттері бар құрылғылар жасау, нанонүктелер, нанокеуектер, нанотүтіктер және наножіпшелер массивтері сияқты нормативті құрылымдар практикалық және ғылыми қызығушылық туғызады.
Материалдарды синтездеудің тиімді және технологиялық қарапайым әдісі болып табылатын наноқұрылымды материалдың нанокеуектерінің макроскопиялық бетте периодты түрде орналасуы анодтау процесі болып табылады. Анодтау технологиясы бұрыннан белгілі, бірақ соңғы кездері белгілі бір морфологиямен берілген, арнайы қасиеттері бар кеуекті қабықша алу үшін осы процесті қолдану белсенді түрде жетілдірілді.
Анодтық алюминий оксидтерін (AAО) қолдану саласы әрдайым кеңею үстінде. Осы материалдарға негізделген мембраналар [1], электронды техника объектілері және басқалары соңғы жылдары кеңінен қолданыс тапты. Алюминий оксидінің қабатының құрылымы 50-500 нм өлшемдегі гексагональды ұяшық жиынтығы екені белгілі. Оксидтік қабықша қорғаныш қасиеттерге ие, мысалы, жоғары коррозияға төзімділік, беріктік және қаттылық [2]. Жасушалардың геометриялық параметрлеріне электролиттің құрамы, электр түзілу режимдері, температура, үлгі бетінің уақыты мен кедір-бұдырлығы әсер етеді.
Жұмыстың мақсаты - электрохимиялық анодтау процесі арқылы кеуекті алюминий оксиді негізінде мембраналарды алу және олардың қасиеттерін зерттеу.
Зерттеу объектілері: анодты кеуекті алюминий оксиді негізіндегі наноқұрылымдалған мембраналар.
Зерттеу әдістері: алынған үлгілердің құрылымы Quаnta 200i 3D сканерлеуші электрондық (FEI Company, АҚШ, 2008)және DM 6000 (Leica, Германия)оптикалық микроскоптарда зерттелді.
Бітіру жұмысын орындау барысында төмендегідей тапсырмалар қойылды:
электрохимиялық анодтау процесін игеру;
нанокеуекті алюминий оксидінің қабатын алу;
Өңдеу жағдайына байланысты қабаттың өсу режимдерін анықтау;
АКАО негізіндегі алынған мембраналардың құрылымдық параметрлерін (мембрана қалыңдығы, кеуек диаметрі, кеуек орталықтарының арасындағы қашықтық) зерттеу;
анодтау процесінде қолданылған технологиялық параметрлерді салыстыра отырып, анодтау процесінің тиімді параметрлерін анықтау.
1 ӘДЕБИ ШОЛУ
Алюминийдің екі сатылы анодтық тотығуымен алынған кеуекті анодтық алюминий қабаттары (анодтық алюминий оксиді - AAO), бірегей наноқұрылымдық материал болып табылады [3, 4]. ААО қабаттары бетіне қатаң перпендикуляр орналасқан гексагоналды қапталған цилиндрлік кеуектерді қамтиды. Наномембрана ретінде немесе нанобілік және жіп синтезі үшін арналған үлгі ретінде нанодеңгейде негізделген наноқұрылымды материал алу қарапайым әдіс болып табылады.
Өзін-өзі реттеу процесінде кеуектің түзілуі және олардың бірдей қашықтық пен бірдей диаметрде орналасуы көп қышқылдар мөлшерін (қымыздық, күкірт, фосфор, т.б.) пайдаланылуы мен кернеу өзгерісінің кең диапазонында байқалады. Кеуектің диаметрі және көршілес кеуектер арасындағы қашықтық U кернеуіне байланысты болып келеді. Кеуек диаметрі шамамен D(nm)=1.2xU -ға тең, мұндағы кернеу Вольтпен V белгіленеді, ал кеуектер арасындағы қашықтықты L(nm)=2.5xU(V) формуласымен табуға болады. Мысалы, кернеу 30 Вольт болған кезде, шамамен 40 нм болатын кеуек диаметрін (рН ~ 1 ерітіндіде) алуға болады. Кеуек ұзындығының оның диаметріне қатынасы ~ 1 ден ~ 104-не дейін өзгеруі мүмкін [3, 4].
Нанокеуектің алюминий оксидінде қалыптасу әдісі қарапайым, әрі қол жетімді. Бұл әдіс потенциалды қолдану үшін өте маңызды, оны өнеркәсіптік енгізу үшін масштабтауға болады. Сондықтан ААО және оның қалыптасу әдістері әлі қарқынды зерттелуде.
ААО қабаттары нанобілік және наножіпше сияқты әртүрлі материалдардың қалыптасуын үлгі ретінде пайдалануы үшін, мембрана, плазмалық қондырғылар және тағы басқаларды қалыптастыру үшін болашағы зор болып келеді. ААО қабаттары практикалық қолдануда маңызды болатын екі өлшемді фотонды кристалдың жоғары реттелген массивтердің синтезі үшін, полимерлі наноқұрылымның, нанотүптелген көміртек нанотрубкаларының өсуі үшін қолданылуы мүмкін [5, 6].
Биосенсорлар және мембраналар. Шағын органикалық молекулалар, макромолекулалар, тіпті бактериялар мен вирустардың биосенсорлық мониторингі үшін реттелген полимерлерді ААО матрицасының қолдануымен жасауға болады [7, 8]. ААО-ның биомедициналық жағдайда қолдануының келешегі зор болып келеді. Бұл [9] жұмыста ісіктік және сау жасушаға арналған биоүйлесімді электроактивті төсеніш жасау үшін ААО-ның келешегі көрсетілген. [10, 11] жұмыста ААО-ны қолдануымен титан негізіндегі сүйек импланттары үшін жаңа жабындылар жасалынды.
Мембраналық фильтрация технологиясының жаңадан өңделуі су ресурстарының тапшылығы және су сапасының нашарлау жағдайында маңызды мәселе болып табылады. Мембраналар құру үшін наноматериалдарды [12] су тазарту, газсыздандыру және дезинфекциялау үшін пайдалану, олардың кең мүмкіндіктерін көрсетеді. Технология мен өнеркәсіптің түрлі салаларында полимерлік мембрананы пайдаланған кезде кездесетін негізгі мәселе, тесіктердің балдырлануы және мембрананың саптан шығып кетуі [13]. Қаптап өсіп кетуге және бактерияға қарсы қоспалар ретінде TiO2 және ZnO нанобөлшектері қолданылады (мысалы, [14] жұмыс, өйткені гибридті мембрананы олардың негізінде өндеу маңызды). Алайда ААО -дағы мембрананың мүмкіндігі нақты ашылған жоқ, өйткені өлшемі 1 ден бастап 10нм-ға дейін болатын кеуек өлшеміндей нанофильтрленген мембраналар молекулалық массасы 300 ден жоғары және тұздың шамамен 40-80%-ының органикалық қосылысын ұстап тұрады. Мұндай мембраналар биомедициналық қолдануға келешегі зор болып табылады.
Магниттік металдық наножүйелер (Ni, Co, Fe және т.б.) биомедициналық мақсаттарда, жады мен логика элементтері үшін, түрлі магниттік-электронды құрылғылар үшін көп қолданылады [15]. Негізгі мәселе нанокеуекті алюминий оксиді өте жақсы сәйкес келетін пішіні мен өлшемі бірдей болатын наноталшықтардың синтезделуі, мысалы, AАО матрицасы көмегімен TiO2 қабығындағы кобальт талшықтарынан наноқұрылымдар алынған [16].
Осылайша, ААО бұрыннан бері зерттеліп келді, бірақ бұл материалды зерттеудің өзектілігі мен ғылыми маңыздылығы нанокеуекті алюминий оксидінің қолдану саласын кеңеюі арқылы жоғары болып қала береді. Әдебиеттердегі талдау көрсеткендей, мәселелер:
:: ААО-ның жаңа әдістерін өңдеу,
:: AAО-дан наномембраналар құру,
:: ААО матрицасындағы түрлі материалдардың наноталшықтары әлі күнге дейін сұранысқа ие және көп жағдайда шешілмеген болып қалды.
Кеуекті құрылымның пайда болу механизмі
Анодтаудың бастапқы кезеңінде, барьерлі мен кеуекті типтегі қабықша қалыптасқанда, екі график бірдей болады. Алайда барьерлі типтегі қабықшасындағы ток тығыздығы экспоненциалдық түрде төмендейді, және соңында, ток тығыздығы иондық ток компонентінің үлесіне тең болады [17]. Потенциостатикалық тотығу кезіндегі анодта пайда болатын қабықша түрі хроноамперметриялық қисықтың түрін анықтайды [18].
Тотығудың бірінші кезеңінде кеуекті типті қабықша қалыптасқан жағдайда, ток тығыздығы күрт төмендейді (1 суреттің 1-ші бөлігінде) , одан соң 2-ші бөліктен минимум арқылы өтеді, содан кейін күрт артады және максимум (3-бөлік) арқылы өтеді, осылайша тұрақты мәнге жетеді (4-бөлік) [18]. Кеуекті қабықша түрін қалыптастыруға сәйкес, jp тогын екіге бөлуге болады: jb - қабықша қалыптасқандағы барьерлі типтегі ток тығыздығы, jhp - қалыптасқан кеуекпен байланысқан ток тығыздығына сәйкес гипотетикалық ток тығыздығы. Ток тығыздығы jp берілген потенциалмен анықталады, ал jhp тотығу кезіндегі, анодтау кедергісіндегі қолданылған электролитке, температураға байланысты анықталады [17].
----------------------------------- ----------------------------------- ----------
----------------------------------- ----------------------------------- ----------
----------------------------------- ----------------------------------- ----------
1-ші кезең - барьерлік қабаттың өсуі; 2-ші кезең - оксидтік қабықшадағы электр өрісінің тереңдеуіндегі күш желісінің концентрациясы; 3-ші кезең - күш желісі мен жергілікті қызып кетуді оқшаулауына байланысты кеуектердің пайда болуы; 4-ші кезең - кеуектердің біркелкі өсуі
----------------------------------- ----------------------------------- ----------
----------------------------------- ----------------------------------- ----------
Сурет 1. Кеуекті құрылым қалыптасу кезеңдерінің схемалық көрінісі
----------------------------------- ----------------------------------- ----------
----------------------------------- ----------------------------------- ----------
----------------------------------- ----------------------------------- ----------
jb - барьерлік типіндегі пленканы қалыптасу кезіндегі ток тығыздығы. jp - кеуекті типті пленканың қалыптасу кезіндегі ток тығыздығы. jhp - jp және jb арасындағы айырмашылықты көрсететін гипотетикалық ток тығыздығы
Сурет 2. Тұрақты кернеу кезінде ток тығыздығының анодтау уақытына тәуелділігі
Кеуектің қалыптасу механизмі схемалық түрде 1-суретте көрсетілген. Токтың уақытқа тәуелділігі төрт бөлікке сәйкес келетіндіктен, кеуектердің қалыптасуы төрт кезеңнен тұрады (2-сурет). Тотығудың бірінші кезеңінде алюминийдің беті электр тогын өткізбейтін алюминий оксидінен тұратын (ρ = 1010 - 1012 Ом‧см [19]) барьерлік қабат түзіледі. Электр өрісінің кернеулігі оксидті қабықшаның тереңдігінде (2-суреттегі 2-кезең) күрт артады, бұл жергілікті температураның жоғарылауына байланысты оксидті еріту процесінің төгілуіне әкеледі (2-суреттегі 3-кезең) [17].
Көршілес нүктелер заряды ағынының бәсекелестігін ескере отырып, кеуектердің кейбір бөлшегі өсуін тоқтатады, бұл хроноамперметриялық қисықтағы ток тығыздығының тек төмендеуіне әкеледі (2-суреттегі 4-кезең). Соңында, jp кеуектердің біркелкі өсуіне сәйкес келетін тұрақты мәнге жетеді. Тотығу процесінің ұзақтығына сәйкес ток тығыздығының белгілі бір мәнге төмендеуі анодтық алюминий оксидінің кеуектерінде иондардың диффузиясының кедергісімен байланысты [20].
1.2 Кеуекті алюминий оксидінің құрылымдық өздігінен құралуы
1995 жылы Масуда мен оның әріптестері анодтық алюминий оксиді қабықшасының жеткілікті ауқымды аймақта гексагоналды ретпен орналасқан кеуектің алу әдісін ұсынды. Гексагоналды түрде реттелген кеуек құрылымын алу үшін алюминийдің екі сатылы тотығу әдісі немесе наноиндентер көмегімен алюминий бетіне реттелген құрылымды жағу әдісі қолданылды [21, 3]. Дегенмен, гексагоналды реттелген кеуектің құрылымы электролит концентрациясының және кернеудің өте тар интервалында қалыптасты. Кеуекті құрылымның реттелуі ұзақ тотығу процесі кезінде көршілес кеуектердің арасындағы тебіліс күштердің пайда болуымен түсіндіріледі [22]. Бұл теория кернеудің механикалық моделі деп аталды [22, 23].
а) салмағы 1.7 . 25В кернеудегі % H2SO4; б)салмағы 2.7 . 40 В кернеудегі % H2C2O; в)салмағы 1.195 В кернеудегі % H3PO4
Сурет 3. Ерітіндегі тотығу нәтижесінде алынған анодтық алюминий оксид қабықшаларының микрофотолары, оның құрамында [22]
Бұл теория алюминийдің тотығу процесінде атомдық тығыздығы металдық алюминийден 2 есе аз болатын оксид қалыптасады деп негізделеді. Осылайша, анодтау кезінде көлем шамамен екі есеге артады. Қабықша бетіндегі алюминий оксидінің көлемдік кеңеюі нәтижесінде кернеулердің қысылуы пайда болады, ол реттелген кеуектік құрылым қалыптасуына себептеседі. Сонымен қатар, осы [24] жұмыс авторлары, әртүрлі электролитпен синтезделген көршілес кеуектер центрінің ішкі диаметрі мен қашықтығының қатынасы іс жүзінде бірдей екенін анықтаған, DішкіDсырт = 0.20 +- 0.02 құрайды (3-сурет). Идеалды түрде реттелген құрылымның қалыптасуының жақындағанына қарағанда, диаметрлердің мынадай қатынасы 10% кеуектілікті қамтамасыз етеді. Сонымен қатар, кеуек қабырғасы қалыңдығы бойынша біркелкі емес және тығыздығы көп болатын ішкі және тығыздығы одан аз болатын сыртқы қабаттарды қамтиды. Мұндай қарама-қарсылық сыртқы қабатта абсорбталған қоспалық иондардың болуымен , ал ішкі қабатта тығыз және таза алюминий оксидтің болуымен түсіндіріледі [17].
Егер кеуектіліктің маңызына байланысты гексагоналды реттелген құрылым қалыптасу үшін рН электролитін біле тұра, P=10% деп алсақ, реттелген кеуекті құрылым қалыптасу үшін анодтау кернеуін, кеуектің ішкі диаметрін таңдауға болады. Сонымен қатар, анодтау процесі жүретін рН параметрін өзгерте отырып, кеуектер диаметрін де өзгертуге болады. Сондай-ақ, мақала авторлары [24] Джессенски ұсынған он пайыздық кеуек ережесі механикалық кернеу үлгісімен жақсы келісілетінін көрсетті.
1.3 Анодтық алюминий оксидінің микроқұрылымына әсер ететін анодтық параметрлер
Сурет 4. Пайдаланылатын кернеуден кеуектер центрі арасындағы қашықтық тәуелділігі
4-суретте көрсетілгендей, тотығу жүргізілетін кеуек центрлері арасындағы қашықтық кернеуге пропорционал. Пропорционал коэффициенті 2.2 ден 2.8 нмВ-қа дейінгі интервалда жатыр. Пайдаланылатын кернеудің шамасы барьерлік қабаттың қалыңдығын анықтайды, ол реттелген құрылым қалыптасқан жағдайда кеуектер центрі арасындағы қашықтықтың жартысына тең болады. Сонымен қатар, анодтау процесінде кернеуді өзгерте отырып иерархиялық кеуек құрылымына ие анодтық алюминий оксидінің мембранасы синтезделуі мүмкін [25]. Кернеу √n-де азайғанда, бір кеуек n кеуектерге тармақталады. (5-сурет) [17].
Ішкі кеуек диаметрі алюминий оксидінің ерігіштігінің жылдамдығына тәуелді, сәйкесінше тотығу жүретін процесте рН ортаға тәуелді екендігі анықталды. pH электролиті төмен болған сайын, кеуек түбіндегі қыздыру әсерінен оксидті еріту үшін кернеуді едәуір төмен етіп алуға болады. Осылайша, рН электролиттің төмендеуі кіші диаметрлі құрылымды кеуек құруға мүмкіндік береді. Ең минималды параметрлері бар құрылымдар тотығу кезінде мықты қышқылдарда пайда болады (мысалы, 25 В-та H2SO4 ерітіндісінде pH =1.09 кеуек периодтылығы ~ 65 нм және диаметрі 24 нм болатын пленкалар пайда болады) [17].
Сурет 5. Кеуекте синтезделіп тармақталған a) 2; b) 3; c) 4 және d) 16 көміртекті нанотрубкалар микрофотосы
Сурет 6. Жергілікті қызып кетудің нәтижесінде анодтық алюминий оксид пленкасының бұзылуы
Анодтық тотығу жүрген кезде электролиттің температурасы төмен болуы керек. Бұл жоғары температурада алюминий оксидінің химиялық ерітіндісінің жылдамдығы артып кетуімен байланысты. Сонымен қатар, төмен температура анодтау барысында электрохимиялық тотығу кезінде бөлінетін жылу есебінен қызып кетудің алдын алу үшін қажет.
Жергілікті қызып кету электр өрісі кернеуінің біркелкі емес таралуына әкеледі, бұл оксид қабатының бұзылуына әкелуі мүмкін. Осылайша, температураны бақыламайтын болсақ, қабықшадада сызаттар пайда болуы мүмкін (6-сурет). Сонымен қатар, анодтық температура оксидтік қабаттың өсу жылдамдығын анықтайды: температура неғұрлым төмен болса, соғұрлым қабықшаның өсу жылдамдығы төмен болады [17].
[26] жұмыс авторлары бастапқы алюминийдегі қоспаның қалыптасқан қабықшаның микроқұрылымына әсер етуін зерттеді. Осы деректерге сәйкес, жоғары тазалыққа ие алюминийдің (99.99%) екі сатылы анодталуы кезінде диаметрі шамамен 50 нм болатын цилиндрлік кеуектің өлшемімен біркелкі болатын құрылым пайда болады (7а-сурет). Кеуектер гексагоналды түрде шамамен мөлшері 1,1 мкм болатын домендерде реттеліп орналасқан. Реттелген аймақтар астық шекарасымен бөлінген. Домендер бір-біріне арнайы бұрыш бойынша бағытталған [17].
а)
а)
Сурет 7. 99.99% болатын алюминий тазалығынан (а) синтезделген анодты алюминий оксидінің микроқұрылымы
б)
б)
в)
в)
94% алюминий тазалығы (б); 600 ° C температурада N2 тогында 1 сағат ішінде рекристалданған 94% алюминий тазалығы (в)
Сурет 7 жалғасы
Темір, кальций және магний қоспасы бар алюминийдің (Alcan heavy duty aluminum foil, 94%) анодталуы кезінде, жоғары тазалығы бар алюминийден сипаттамалары жағынан ажыратылатын құрылым пайда болады .Бұл жағдайда, реттелмеген кеуек құрылымы пайда болады, сонымен қатар, кеуек пішіні цилиндрдің пішініндей болмайды, олардың өлшемі 25-тен 60 нм-ге дейін өзгеріп отырады. Құрылымда центрлері арасындағы қашықтық өлшемі 60-тан 120 нм-ге дейін болатын кеуектің параллель қатарлары бар екенін атап кеткен жөн. Кеуектер қатарлар арасында реттелмеген түрде орналасады. Қатарлар бағыты алюминий фольгасының прокаткасының бағытымен сәйкес келеді (7б-сурет). 7в-суретте анодтаумен синтезделген, алюминийлік фольгамен рекристалданған анодтық алюминий оксиді қабықшасының микрофотосы көрсетілген. Бұл жағдайда, өлшеміне қарай кеуек дисперсиясы әлдеқайда төмен болады, ал центрлері арасындағы орташа қашықтық 80 нм-ді құрайды. Алайда, бұл жағдайдағы гексагоналды түрде реттелген кеуек фрагменттері өте аз және тек бірнеше кеуектерден тұратынын атап кеткен жөн. Сонымен қатар, 7в-суретте диаметрі шамамен 500 нм-ді құрайтын микрокеуек көрсетілген, бірақ мұндай микрокеуектер қабықшаның бүкіл қалыңдығы арқылы өтпейді.
Осылайша, анодтық алюминий оксидінің негізіндегі мембраналарды синтездеу үшін жоғары тазалығы бар алюминийді қолданғандай, қоспалардың айтарлықтай мөлшері (5% дейін) бар алдын ала рекристалданған алюминийді де қолдануға болады. Жоғары тазалығы бар алюминийді қолдану біршама кеуектіліктікті мембраналарды синтездеуге мүмкіндік беретінін атап кеткен жөн. Алайда, анодтық алюминий оксидінің негізіндегі мембраналарды қолданудың технологиялық аспектілері туралы айтатын болсақ, жоғары тазалығы бар алюминийдің бағасы жеткілікті жоғары екенін ескеру керек, бұл өндірістік шығындардың елеулі ұлғаюына әкеледі. Технологиялық процестерде техникалық тазалығы бар алюминийден синтезделген анодтық алюминий оксиді негізіндегі мембраналарды қолдану өте қолайлы (қоспаның мөлшері 5% дейін) болып табылады [17].
1.4 Анодты алюминий оксидінің кеуек қабырғалары бетінің модификациясы
Анодты алюминий оксидінің кеуек қабырғалары бетінің модификациясы әр түрлі әдістер арқылы жүзеге асырылуы мүмкін, мысалы атомдық қабаттарды тұндыру немесе газ фазасындағы химиялық тұндыру арқылы, сонымен қатар, ерітіндідегі [27] полиэлектролиттердің қабатталған тұндыруы немесе иондық сұйықтықтардың химиялық иммобилизациясы қолданыла алады.
Атомдық қабаттарды тұндыру - жағылған қабаттың қалыңдығын дәл бақылау үшін өзіндік шектеулі химиялық реакцияны қолдану негізінде жұқа қабықшалар жағу технологиясы. Бұл әдісте химиялық реакциялар қолданылады, онда прекурсорлар бетпен кезектесіп әрекеттеседі, бұл ретте олар бір-бірімен тікелей әрекеттеспейді. Прекурсорларды бөлу инертті газ ағынымен реакторды үрлеу арқылы жүзеге асырылады, ал реакциялар өздігінен шектелгендіктен, қабаттың жалпы қалыңдығы реакцияның ұзақтығынан емес, циклдар санымен анықталады, оның нәтижесінде қабаттың қалыңдығын жоғары дәлдікпен бақылауға болады. Бұл процестің схемасын 8-суреттен көруге болады [28].
Атомдық қабаттарды тұндыру әдісі анодты алюминий оксидінің кеуек қабырғалары бетін әр түрлі оксидті қабаттарда қалыптастыру үшін кеңінен қолданылады, мысалы TiO2 [29], ZrO2 және HfO2 [30], SiO2 [31], V2O5 [32].
9-суретте алюминий оксидінің кеуек қабырғасына жаққаннан кейінгі мембраналар мен анодты алюминий оксидінің бастапқы мембранасының микрофотосы көрсетілген.
Сурет 8. Атомдық қабаттарды тұндыру процесінің схемасы
Сурет 9. Анодты алюминий оксидінің бастапқы мембранасының микрофотосы (A), атомдық қабатты тұндыру әдісі арқылы қалыңдығы 15 нм болатын алюминий оксиді қабатын жаққаннан кейінгі мембрананың үстіңгі беті (B) мен нақысы (C)
Газ фазасындағы химиялық тұндыру әдісін анодты алюминий оксиді кеуегінің бетіне аморфты көміртектің жұқа қабатын отырғызу үшін қолданады. Көміртекті тубулендерді синтездеу әдісін көптеген әдебиеттерден табуға болады. Синтездеу әдісі температурасы 600-800ºС аралығында болатын прекусор ретінде алкендер (этилен, пропилен) немесе алкин (ацетилен) пайдалануымен жүргізіледі. Әр түрлі уақыт аралығында көміртекті тұндыру жолымен анодты алюминий оксиді мембранасы каналында синтезделген көміртекті тубулендердің микрофотосы 10-суретте көрсетілген.
Көміртекпен қапталынғаннан кейін, кеуек қабырғасы бетінің одан әрі модификациялануы 20% азот қышқылымен өңдеу арқылы жүзеге асырылады, нәтижесінде кеуек бетінде карбоксиалды топтар [33] пайда болады немесе фторлау жолымен кеуек бетінде C-F топтары [34] пайда болады.
Көміртекті тұндыру ұзақтығы
Сурет 10. Әр түрлі уақыт аралығында тұндырылған көміртекті тубулендерден алынған РЭМ (а-с) және ПЭМ (d-f) деректері
1.5 Механикалық кернеулердің моделі
Қазіргі уақытта алюминий анодталуының ұзақтығы кезінде гексагоналды реттелген құрылымының қалыптасуын механикалық кернеу моделі (11-сурет) түсіндіреді. Бұл теорияда қарастырылатын негізгі ұстанымдар мынадай болып табылады:
Сурет 11. Анодтық тотығу кезіндегі алюминийдің көлемдік кеңеюі. Үзік сызықпен тотығуға дейінгі Al қалыңдығы белгіленген [35]
1. Тотығу электролиттегі оттегісі бар иондардың (О²⁻ немесе ОН⁻) көшуінің арқасында металлоксид бөлу шекарасында жүреді.
2. Оксидтік қабаттың еруі (қалыңдығының азаюы) қалыптасқан алюминий оксидінің гидратациясына байланысты жүреді.
3. Барьерлік типтегі оксидтік қабықшаның (кеуектің қалыптасуынсыз) өсуі жағдайында Al³⁺ барлық иондары оксид электролит бөлу шекарасына жетеді және оксидтің өсуіне ықпал етеді. Керісінше, кеуекті алюминий оксиді пайда болған кезде, оксидтік қабат арқылы диффузияланатын Al³⁺ иондарының белгілі бір бөлігі ерітіндіге айналып, оксидтік қабаттың өсуіне ықпал етпейді.
4. Оксидэлектролит бөлу шекарасында оксидтің еруі арасындағы тепе-теңдік және металлоксид шекарасында оксидтің қалыптасуы нәтижесінде алюминий бетінде кеуек перпендикуляр түрде өсе бастайды.
5. Металл алюминийдің оксидке дейін тотығуы элементарлы ұяшық (Al 1 атомына есептесек) көлемінің шамамен екі есе ұлғаюына әкеледі.
6. Оксидметалл шекарасында оксидтің қалыптасуындағы көлемдік ұлғаю қабықша жазықтығында қысылып тұрған кернеулердің пайда болуына әкеледі, олар реттелген кеуектердің қозғаушы күші болып табылады.
1.6 Кеуектіліктің 10 %-дық ережесі
Кеуекті алюминий оксидінің құрылымы электронды микроскоп көмегімен толығымен зерттелді. 12-суретте Н₂SO₄, (COOH)₂ және H₃PO₄ - те алюминийдің тотығуымен алынған жоғары реттелген алюминий оксидінің кеуекті құрылымының микрофотолары көрсетілген.
а) 0,3М H₂SO₄-те 25 В; б) 0,3М (COOH)₂ -те 40 В; в) 0,1М H₃PO₄ - те 195 В
Сурет 12. Кеуекті алюминий оксиді қабықшасының өзіндік реттелген құрылымымен электронды микроскопиясы [36]
Бүкіл суреттерде кеуек арасындағы қабырға ішкі қара қабаттан және сыртқы ашық қабаттан тұратындығы анық көрсетілген. Бұл қарама-қарсылықтың болуы қабаттардың химиялық құрамының айырмашылығы түсіндіріледі: оксидтің сыртқы қабаты бөгде иондармен ластанған, ал ішкі қабат таза алюминий оксидінің тығыз қабатын көрсетеді. Алынған суреттердің математикалық өңделуі кеуек радиусының r көршілес кеуектер центрі арасындағы қашықтыққа Dint қатынасы тұрақты шама болып табылатынын растайды (1-кестеге назар аударыңыз).
Кесте 1
Жоғары реттелген кеуек құрылымды алюминий оксиді қабықшасының құрылымды параметрлері
Электролит
Анодтау кернеуі , В
Кеуектер арасындағы қашықтық
Dint , нм
Ішкі оксид қабатының қалыңдығы Dішкі , нм
Кеуек диаметрі Dk ,нм
Кеуектілік Р, %
0.3 H₂SO₄
25
66
7.2
24
12
0.3(COOH)₂
40
105
9.1
31
8
0.1 H₃PO₄
195
500
54
158.4
9
Кеуектің гексагоналды орналасуымен алюминий оксиді қабықшасының кеуектілігін геометриялық ойларға сүйене отырып, мына формуламен анықтауға болады:
P = VкеуекV = Sкеуек ‧ HS‧H = 2PI3rDint2 (1)
Dint = kU (2)
Тәжірибеде байқалынатын реттелген құрылымды алюминий оксиді қабықшасындағы тұрақтылық қатынасымен rDint кеуектілік тұрақтылығы да болады. Жиі пайдаланылатын кернеу-электролит жұптары үшін бұл шама шамамен 10% құрайды (1 кестеден қараңыз). Н₂SO₄ - те алынған (P 10%) қабықшаның біршама кеуектілігі синтездеу процесіндегі қышқылдағы химиялық өңдеумен байланысты.Салыстыру үшін: реттелмеген құрылым қалыптасқан жағдайда кеуектілік 10 % -дан әлдеқайда артық не кем болады.
Dint пайдаланылатын кернеуге тәуелді екені белгілі. Сонда (1) және (2) өрнектерді ескере отырып, былай жазуға болады:
U= 2PIР3 *rk (3)
Өзіндік реттелген кеуекті құрылым қалыптасуының оңтайлы жағдайларында Р = 10% деп санауға болады. Осылайша, берілген кеуек радиусы бойынша пайдаланылатын электролитке рН тәуелді болатын өздігінен реттелетін кеуектердің өсу процесі анодтаудың арнайы кернеуіне сәйкес келеді. Алюминийдің тотығуы үшін (H₂SO₄, (COOH)₂, H₃PO₄)) жиі пайдаланылатын электролиттер рН-тің әр түрлі мәндерін қамтамасыз етеді, демек жоғары реттелген алюминий оксидінің кеуекті құрылымын алу үшін тотығу режимдері әр түрлі болуы тиіс (12 суретке қараңыз).
Электролиттің концентрациясы мен рН ерітіндісін өзгерте отырып, Al₂O₃ қабықшасының кеуектілік параметрлеріне әсер ете алады. Мысалы, электролит концентрациясын 10 есе көбеюі кеуектер арасындағы қашықтықтың (Dint) 20 %-дық кемуіне әкеледі. Күкірт қышқылы концентрациясының көбеюі 0,3М - 2М дейін Dint 65 тен 50 нм-ге дейін төмендеуіне әкеледі. Мұндай қатынастар H₃PO₄ жағдайында да байқалады.
1.7 Анодты кеуекті алюминий оксиді негізіндегі наноқұрылымды мембраналардың қолданылуы
Өндірістік процестерде түрлі токсикалық және жарылғыш газдардың қолданылуы, микро- және нанотехнологияны қолдана отырып, газ қоспасындағы компоненттер концентрациясын жүйелі түрде анықтайтын портативті әрі жоғарысезімтал газоанализаторларды ойлап табудың алғышарты болды. Ноноөлшемді ұяшықты-кеуекті құрылымдағы алюминий оксиді негізіндегі жоғары сезімтал нанокомпозиттік қабықшаларды, белгілі газдарды сезетін құрылымдар жасауға қолдануға болады. Бұл құрылымдардың негізінде түрлі типтегі қабықшалы газдық сенсорлар жасауға болады. Ноноқұрылымдалған металоксидтік қабықшалардың газдарға деген сезгіштігінің физика-химиялық механизмдері, оларды газдық сенсорларда көпретті қолдану мүмкіндіктерін анықтайды [37].
Қабықшалы газдық сенсорларда тасымалдаушы ретінде нанокеуекті алюминий оксиді негізінде дайындалған рельефті бетті қолдану ұсынылды. Бұл бет газдық сенсордың дұмыс істеу зонасының астына 10 - 40 мкм-ге дейінгі тереңдікке орналастырылады [37]. Ұсынылған технология бойынша дайындалатын микроэлектрондық чиптер, алюминидің орнына кремни қолданатын микромашининг технологиясын алмастыратын тиімді әрі арзан құрылғы болып табылады [38].
Бұл қадам, микромашининг технологиясын қолдана отырып кеуекті анодты алюминий оксиді негізінде бет ауданы айтарлықтай үлкен рельефтік беттер алуға және олардың бетіне сенсордың кез-келген элементін төсеуге мүмкіндік береді [38].
Алюминий оксидінің төмен жылуөткізгіштігі жоғары температурада жұмыс істейтін және жұмыс барысында қуат көзін аз жұмсайтын құрылғылар жасауға мүмкіндік береді. Сенсор жасауда түгелімен алюминий оксидінен жасалған элементтерді қолдану, газдық сенсордың құрамындағы материалдардың термиялық кеңею коэффициентінің әркелкілігі секілді қиындықтардың алдын алуға мүмкіндік береді. Көбіне, бұндай қиындықтар кремний қолдану арқылы жасалғна микромашиналық құрылғыларда көрініс табады [39].
Өз кезегінде, жоғары сезімтал және арзан газдық сенсорлар жасауға қалың алюминий оксиді рамкасымен ұсталатын жұқа анодты кеуекті алюминий оксидін төсеніш ретінде қолдану - перспективті шешім болып табылады [39].
Соңғы жылдарда ақпаратты көрсету құрылғыларына (теледидар, монитор, т,б), кеңірек алсақ, жұқа дисплейлерге, экрандар мен басқа да индикаторларға деген сұраныстың күрт өскендігі байқалады. Үлкен өлшемдер және төмен тиімділік (электрондық-сәулелік түтіктер),жоғары инерттілік және жұмыс істеу барысындағы пассивтілік (Cұйық-кристалдық индикаторлар), жоғары энергия тұтынушылық (светодиодтар) сияқты ақпаратты көрсету құрылғыларындағы кемшіліктер, бұл құрылғылардың есептеу техникасында қолданылуын айтарлықтай шектейді немесе мүлдем жоққа шығарады. Қазіргі таңдағы люминесценттік заттар, біріншіден, күрделі қоспаның табиғи немесе синтетикалық органикалық байланысы, екіншіден, аз жағжайда табиғи, бірақ, көбіне синтетикалық органикалық емес заттар (сульфидтер, вольфраматтар, силикаттар, т,б) және үшіншіден, бейорганикалық кристалдар мен шынылар, сондай-ақ, көбіне активтендірілген бейорганикалық қоспалар. Қолданыстағы көптеген люминаыорлардың материал құрамына деген жоғары талаптар (тазалық, компоненттер арақатынасының дәлдігі, т,б), аз уақыт қызмет етуі, дифициттілігі, жоғары құндылығы, технологиялылығының төмендігі және экологиялық қауіптілігі - көп елдің ғалымдарының белсенді түрде аталған кемшіліктері жоқ люминофорларды іздеуін қажет етеді [38-40].
Шетел ғалымдарының анодты алюминий оксиді негізінде жұқа қабықшалы лазерлер, жарық фильтрлері, оптикалық дисктер, жарықшығарғыш құрылымдар және жұқа активті ақпаратты көрсету құрылғылары сияқты оптикалық элементтер жасау мақсатында модификацияланған анодты алюминий оксидінің оптикалық қасиеттерін зерттеу жұмыстары туралы мақалалары назар аудартады [40].
Анодты алюминий оксидінің түзілу процестерін және аталған материалды анодтау процесі кезінде анодты оксид құрылымында люминисценция центрлерін жасау үшін жер бетінде аз кездесетін металл иондарымен лигерлеу әдістерін модификациялау жұмыстары жүргізілуде [40-41].
Кеуекті анодты алюминий оксидінде және оның кейбір балқымаларында электро люминесценция эффектінің табылуы, тұрақты немесе айнымалы электр өрісі арқылы қоздырылатын жұқақабықшалы жарықшығарғыш құрылымдарды жасаудың үрдісін ашты. Электро люминесценттік құрылғыларды төмен өлшемді құрылымдау, олардың жарықтық эффективтілігінің артуына әкелетіні белгілі болды [41].
Кеуекті анодты алюминий оксидін матрица немесе шаблон ретінде қолдана отырып, жоғары реттіліктегі нано өлшемді құрылымдар мен композиттік материалдар жасау - қазіргі кезде қарқынды даму үстіндегі қызықты әрі маңызды бағыт болып табылады [41].
Анодты алюминий оксидінің негізінде жұқақабықшалы нано өлшемді құрылымдарды алудың концепциясын жасау және жұқа оптикалық активті микроэлементтер мен ақпаратты көрсету құрылғыларын, электромагниттік сәуле шығару көздерін, микроэлектровакуумдық техника бұйымдарын жасау үшін бұл құрылымдарды өңдеу мен түрлі физика-химиялық әдістермен модификациялау жоғары қызығушылыққа ие [42].
Анодты кеуекті алюминий оксиді нано өлшемді құрылымдар мен композиттік материалдар алуда матрица ретінде қолданылады. Тағы бір айта кететін жайт, кеуекті алюминий оксидінің кеуектеріне металл немесе жартылайөткізкіштік кристалдарды өсіру арқылы бірегей қасиеттерге ие жаңа материалдар алуға болады. Алюминий оксидінің кеуектеріне диэлектриктік материалдың кристалдарын шоғырландыру арқылы диэлектрлік өтімділігі төмен қабықша алуға болады. Ал бұндай материалдарды интегралдық микросхемаларда төсеніш ретінде қолдану элементтер арасындағы көлемдік байланыстарды айтарлықтай төмендете отырып, аталған интегралдық микросхемалардың жылдам жұмыс жасауын қамтамасыз етеді [42-43].
Қалыңдықтары кең интервалдағы (10-2-103мкм) термотұрақтылығы мен радиациялық тұрақтылығы үйлескен анодты алюминий оксидінің сапалы диэлектриктік қабаттарын алу мүмкіндіктері, аталған өнімнің микроэлектроникада кең көлемде қолданылуының алғышарты болып отыр. Кеуекті анодты алюминий оксиді негізіндегі диэлектриктік қабықшалар электрондық құрылғылардың конструкциясында төсеніштер мен қорғағыш элементтер ретінде, гибридті жартылайөткізгіштік микросхемалардың көп бөлімді платаларының, терморадиационды тұрақты вакуумдық интегралдық схемалардың негізі ретінде, т.б қолданылады [43].
Кеуекті анодты алюминий оксиді қабықшаларының оптикалық қасиеттері фотолюминесценсия және люминесценсия мамандарының, көрінетін және жақын инфрақызыл аймақтардағы шашыратқыш фильтр жасаушы мамандардың қызығушылығын тудырып отыр. Соңғы кездері кеуекті анодты алюминий оксиді негізінде жұқақабықшалы кванттық генераторлар жасауға қолдануға болатын рубинді қабықшалар алу мүмкіндіктері туралы да ақпараттар түсуде. Сонымен қатар, кеуекті анодты алюминий оксиді жұқақабықшалы сенсорлар жасауда және мультисенсорлық бақылау жүйелерінде қолданыс табуда [40-41].
Кеуекті анодты алюминий оксиді қабықшалары ноно өлшемді мезоскопиялық құрылымдар үшін бетперде ретінде де қолданылады. Нано құрылымдалған кеуекті анодты алюминий оксидін құрылымы нүктелік және бағаналы нано өлшемді жіпшелер алуда қолдану бағыты бойынша зерттеу жұмыстары жүргізілуде. Кеуектерді толтыру металды вакуумдық немесе электрохимиялық отырғызу арқылы жүзеге асырады, және декеуекті анодты алюминий оксиді кеуектерінде алюминидің астына төселген басқа бір металдың тотығын өсіру арқылы жүргізеді [43].
Өте тығыз магниттік тасымалдаушы, автоэммиссионды эмиттерлері бар вакуумдық құрылғылар, жарық шығарғыш диодтар, оптоэлектроника үшін поляризаторлар, өрістік эмиссиялы дисплейлер сияқты электрондық құрылғылардың жаңа класын жасауда кеуекті анодты алюминий оксиді негізіндегі наноқұрылымдалған мембраналарды қолдану бағытында айқын қадамдар жасалуда [44].
Анодты кеуекті алюминий оксиді негізіндегі диэлектриктік пленкалары электрондық құрылғылардың конструкциясында төсеніштер мен қорғаушы элементтер ретінде, гибридті жартылайөткізгіштік микросхемалардың көп бөлімді платаларының, терморадиационды тұрақты вакуумдық интегралдық схемалардың негізі ретінде, т.б. аймақтарда қолданылады [44].
Анодты кеуекті алюминий оксиді пленкаларының оптикалық қасиеттері фотолюминесценсия және люминесценсия мамандарының және көрінетін және жақын инфрақызыл аймақтардағы шашыратқыш фильтр жасаушы мамандардың қызығушылығын тудыруда. Сонымен қатар, анодты кеуекті алюминий оксиді жұқа пленкалы сенсорлар жасауда және мультисенсорлық бақылау жүйелерінде қолданыс табуда [45].
Наноқұрылымды анодты кеуекті алюминий оксидінің негізінде әр түрлі наноқұрылымды материалдар алынады. Кеуектерді металдармен толтыру вакуумдық немесе электрохимиялық әдістер арқылы жүзеге асырылады [45].
Анодты кеуекті алюминий оксидінің біршама қалың (1 мкм-ден қалың) қабаттары заманауи техникада матрицалық сенсорлар мен газдық сүзгіштер мембраналары ретінде, жарықөткізгіштер ретінде, көміртекті нано түтіктер мен магнитті нано жіпшелердің матрицасы ретінде, т.б. мақсаттарда қолданылады [45].
2 ТӘЖІРИБЕЛІК БӨЛІМ
2.1 Электрохимиялық анодтау әдісімен алюминий оксиді кеуегінің құрылымын алу
Металл бетіндегі алюминий оксидінің қабықшалары
Стандартты жағдайларда (сондай-ақ ауада) металды алюминийдің беті өздігінен тотығады, бұл еркін Гиббс энергиясындағы үлкен теріс өзгеріспен түсіндіріледі:
2Al(қ) + 32О2(г)--Al2O3(аморф); G2980 = -1308 кДжмоль (4)
Тотығу процесі судың бетін сулаған кезде де өтеді:
2Al(қ) + 3Н2О(с) --Al2O3(аморф); G2980 = -597 кДжмоль (5)
Металл бетінде пайда болатын тығыз оксидті қабаттың қалыңдығы біршама (5-20 нм шамасында)болады және металды одан әрі тотығудан қорғайды.
Оксидтік қабықшаны алудың балама әдісі - алюминийдің электролиттегі су ерітінділерінде электрохимиялық тотығуы (анодталуы). Бұл жағдайда Al2O3 қалың қабатын алуға болады. Оксидтің өсуі анодта жүреді:
Al(қ) + 3+n2Н2О(с)-3e⁻=12Al2O3*Н2Оₙ(қ)+ 3Н⁺, мұндағы n=03 (6)
ал катодта сутек иондары өз қалпына келеді:
Н⁺ + e⁻=12Н2(г)↑ (7)
Анодта (Al) жүретін реакция электродтың потенциалына, температураға, өз кезегінде қолданылатын электролитпен анықталатын рН ортаға тәуелді.
Алюминий оксидінің полиморфты және гидратты түрлерінің алуан ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz