预存氧化膜覆盖下铝的阳极氧化规律与多层纳米结构氧化膜的制备

摘要

随着纳米技术的发展，纳米功能器件的结构变得更加复杂，因此作为制备纳米材料的重要手段，复杂纳米结构模板在这方面具有非常明显的优势。多孔阳极氧化铝模板（Anodic Aluminum Oxide，以下简称AAO）由于其本身独特且可控的结构参数、制备工艺简单、成本低等优势，是合成纳米材料的重要硬模板之一。本文采用改变电解溶液及电解参数的方式，致力于研究在预存氧化膜覆盖下进行铝的后续阳极氧化，以制备有序AAO模板及孔径变化的AAO模板。主要成果如下:
　　 1.系统地研究了先分别在硫酸、草酸、丙二酸溶液里采用硬质阳极氧化方法预氧化一层膜，然后铝试样继续在草酸、丙二酸、草酸溶液中后续阳极氧化的规律。结果表明，预氧化膜不仅对后续硬质阳极氧化条件工艺条件的设定产生重要影响，还扩宽了后续氧化电压窗口。当预存膜与后续膜的结构参数类似时，预存膜影响后续氧化膜的最初孔的成核及其有序度;反之，后续膜层的有序度及最初的成核受预存膜的影响不明显。
　　 2.提出了一种新型快速两步法制备有序AAO膜的方法，第一步是在硫酸溶液进行硬质阳极氧化（hard anodization，HA），在一个宽阔的电压范围内(35-70 V)，可以在铝表面快速形成有序的AAO膜层，之后在磷酸和铬酸的混合溶液中除去AAO膜，在铝基体表面留下高度有序的凹坑;第二步将具有高度有序凹坑的铝试样在草酸中进行温和阳极氧化(mild anodization，MA)，在氧化初期，铝试样后续氧化表现为直接受凹坑诱导生长，随着时间延长，草酸温和阳极氧化的电压对后续氧化膜层的晶胞有序度影响明显，由此验证了草酸最佳的温和阳极氧化电压是40 V左右。这种通过结合HA和MA改良的两步法，不仅缩短了相对于传统两步法中的第一步的时间，在大范围面积中保持了良好的晶胞有序度，并且避免了在HA条件下形成的AAO中影响实际应用的高机械应力，最后系统地探讨了凹坑尺寸与后续阳极氧化膜晶胞有序度的关系。
　　 3.通过不同的阳极氧化方式以获取孔径可变AAO模板。第一，在草酸中进行电压阶梯变化的阳极氧化，包括在草酸溶液里进行电压由低至高、高低交替的阶跃阳极氧化，可得到孔径或孔密度发生变化的AAO模板;第二，根据在HA和MA两种氧化条件下的晶胞尺寸与电压之间的关系(ζHA=2.0 nm V-1，ζMA=2.5 nmV-1)，在草酸、磷酸或者更多的多质子酸类中进行交替氧化得到孔径呈周期变化的AAO模板。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 铝及铝合金的概述

1．2 铝的阳极氧化

1．2．1 阳极氧化膜一般概述

1．2．2 多孔阳极氧化铝模型

1．2．3 多孔阳极氧化铝模板的结构参数及其特点

1．2．4 阳极氧化铝的生长机理

1．3 有序多孔氧化铝的形成机制及条件

1．3．1 典型自有序行为

1．3．2 新的自有序条件

1．4 有序多孔阳极氧化铝传统的制备方法

1．4．1 两次阳极氧化法

1．4．2 预制图案技术

1．4．3 一次阳极氧化法

1．5 基于孔径结构变化的多孔阳极氧化铝模板研究

1．6 课题选择的意义及背景

1．6．1 课题选择的意义

1．6．2 课题研究的内容

1．7 课题的创新之处

第2章 铝在硫酸、草酸、丙二酸中的硬质阳极氧化规律的探索

2．1 实验方法与条件

2．1．1 实验仪器

2．1．2 实验药品

2．1．3 电解液组成及工艺参数

2．1．4 氧化膜层的制备

2．2 膜层形貌的表征

2．3 结果与讨论

2．3．1 硫酸的硬质阳极氧化的探索

2．3．2 草酸硬质阳极氧化的探索

2．3．3 丙二酸的硬质阳极氧化的探索

2．4 小结

第3章 HA与MA结合制备高度有序的纳米多孔阳极氧化铝膜

3．1 实验条件

3．1．1 实验仪器

3．1．2 实验药品

3．1．3 电解液组成及工艺参数

3．1．4 氧化膜的制备

3．2 膜层形貌的表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 高度有序氧化膜及凹坑的快速制备

3．3．2 大长径比且高度有序AAO膜的制备

3．3．3 凹坑诱导下草酸中氧化电压对AAO有序度的影响

3．4 小结

第4章 孔径可变AAO模板的制备

4．1 实验方法与条件

4．1．1 实验仪器

4．1．2 实验药品

4．1．3 电解液组成及工艺参数

4．1．4 氧化膜层的制备

4．2 膜层形貌的表征

4．3 结果与讨论

4．3．1 草酸溶液中的电压阶梯变化的阳极氧化

4．3．2 孔径呈周期变化的AAO模板制备

4．4 小结

结论

参考文献

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

致谢