原位椭圆偏振光谱法研究多孔阳极氧化铝膜的生长过程

摘要

近年来随着纳米技术的迅速发展，多孔阳极氧化铝膜因其具有的整齐规则的空间结构，被用作制备纳米材料的模板而受到了广泛关注。然而，目前对于多孔阳极氧化铝膜生长机制的研究尚不完善。本文采用高纯铝在硫酸溶液中恒电压条件下通过阳极氧化得到多孔氧化铝膜，同时采用原位椭圆偏振光谱法研究阳极氧化铝膜的形成过程，建立合理的模型对椭圆偏振光谱仪测得的偏振参数(Δ)和ψ进行拟合，得到膜层中界面层、阻挡层以及多孔层的组成、厚度的动态变化信息。
　　 研究结果表明采用梯度有效介质模型能够比较合理的描述被测电极铝阳极氧化膜层表面上界面层的性质，并将铝阳极氧化膜的初始生长阶段大致分为以下四个阶段：(1)阻挡层的形成(阶段Ⅰ)，主要生成阻挡层，厚度不断增加。(2)孔洞萌生(阶段Ⅱ)，由于Al2O3的化学溶解，开始有多孔层生成，并且多孔层中溶液的体积分数逐渐增加。(3)在孔洞发展阶段，可以再细分为两个阶段：孔洞发展阶段(阶段Ⅲ)，多孔层逐渐增厚，细小的孔洞逐渐增大，电流上升，开始出现界面层并且厚度逐渐增大；孔洞发展阶段(阶段Ⅳ)，Al2O3阻挡层厚度增加，电流略有下降，多孔层厚度逐渐增大，多孔层中溶液的体积分数达到80％，表明多孔层非常疏松，之后溶液的体积分数开始减小。(4)在多孔层稳定生长(阶段Ⅴ)，界面层的厚度和组成、阻挡层的厚度以及多孔层的组成几乎保持不变，而多孔层的厚度随时间呈线性增长趋势，在这一阶段中电流几乎保持不变。
　　 本文还考察了硫酸浓度、阳极氧化电压和阳极氧化温度三个因素对阳极氧化铝膜生长的影响。三个因素对反应均起着促进作用：增大硫酸浓度、升高阳极氧化电压或升高阳极氧化温度均可使四个阶段的持续时间缩短，加快达到稳定生长的速度。上述三个因素均主要影响多孔层的厚度，而对生成的多孔层的孔隙率、界面层和纯Al2O3层的厚度影响不大。
　　 硫酸浓度对多孔层膜厚度生长速率的影响近似呈线性关系(R=0.99352)，硫酸浓度每升高0.10mol/L，多孔层膜厚度生长速率增加5.38nm/s；阳极氧化电压(v)对多孔层膜厚度生长速率(y)的影响近似呈指数关系(R=0.98639)，关系表达式为：y=0.02exp(v/3.82)+0.97；阳极氧化温度(T)对多孔层膜厚度生长速率(y)的影响近似呈指数关系(R=0.99321)，关系表达式为：y=0.25exp(T/8.73)+0.84。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1课题背景及学术意义

1.2国内外现状综述

1.2.1铝阳极氧化膜

1.2.2椭圆偏振光谱法

1.2.3椭圆偏振光谱法在铝阳极氧化中的应用

1.2.4小结

1.3研究目的及内容

1.3.1研究目的

1.3.2研究内容

2实验

2.1化学试剂及实验仪器

2.1.1化学试剂

2.1.2实验仪器

2.2实验方法及原理

2.3实验装置

2.3.1阳极氧化电化学装置

2.3.2原位椭圆偏振光谱装置

2.3.3电化学抛光装置

2.4铝的阳极氧化膜的制备

2.4.1铝电极的预处理

2.4.2铝的阳极氧化

2.4.3原位椭圆偏振光谱实验

3铝阳极氧化初始生长阶段的研究

3.1模型

3.2铝阳极氧化初始生长阶段分析

3.3小结

4硫酸浓度对铝的阳极氧化膜的影响

4.1电化学实验结果

4.2原位椭圆偏振光谱数据及拟合结果

4.2.1铝阳极氧化膜成膜过程

4.2.2多孔层生长速率分析

4.3小结

5阳极氧化电压对铝的阳极氧化膜的影响

5.1电化学实验结果

5.2原位椭圆偏振光谱数据拟合结果

5.2.1铝阳极氧化膜成膜过程

5.2.2多孔层生长速率分析

5.3 小结

6阳极氧化温度对铝的阳极氧化膜的影响

6.1电化学实验结果

6.2原位椭圆偏振光谱数据拟合结果

6.2.1铝阳极氧化膜成膜过程

6.2.2多孔层生长速率分析

6.3小结

7结论与展望

7.1结论

7.2展望

致谢

参考文献

附录：作者在攻读学位期间发表的论文目录