AAAO模板制备的基础理论及其超薄化制备方法研究

摘要

AAO模板是一种孔洞高密度均匀分布、相互独立,取向一致并排列高度有序的纳米模板,根据实际需要可以控制其结果参数,是制备纳米结构的理想模板之一。本文以高纯铝片(纯度为99.99％)为阳极,石墨电极为阴极,采用两步阳极氧化法在草酸体系中制备了AAO模板,对AAO模板的基础理论进行了较为细致的研究;并研究了附着型超薄氧化铝模板的一般制备方法。
　　 1、铝片经过退火处理后再进行阳极氧化的AAO模板能提高孔洞排列的有序性;AAO模板正面按六边形顶点排列的纳米点阵列的形成与一次阳极氧化膜去除后在铝表面留下的凹坑有关。这些纳米点就是凹坑周围凸起部分的铝被氧化后的产物。形成正六边形的原因是Al被氧化成Al2O3的体积膨胀,由此而导致每个孔之间产生的应力作用使孔洞能自组织地按照六边形蜂窝状排列,这种六角密排结构使体系能量最低,结构最稳定。
　　 2、正面被PMMA保护的AAO模板放入磷酸溶液中,磷酸先腐蚀模板的阻挡层,腐蚀到一定程度后孔洞开口,磷酸再进入孔洞中腐蚀孔壁,扩孔作用开始。通过分析和推算可得出在30℃下5wt％磷酸溶液对AAO模板的腐蚀速率为0.755nm/min;AAO模板孔洞的开孔时间大约在腐蚀47分种后;阻挡层的厚度约为36nm。
　　 3、通过研究在不同温度下,二次阳极氧化时间与AAO模板厚度之间的关系,得出了不同温度下的AAO模板的生长动力学模型:17℃:Y=-0.72+0.208 X,17℃下模板的生长速率是0.208μm/min;10℃:Y=-0.356+0.08 X,10℃下模板的生长速率是0.08μm/min;0℃:Y=-0.94+0.044 X,0℃下模板的生长速率是0.044μm/min;Y为膜厚(单位:μm),X为二次氧化时间(单位:min)。并从理论上推导出了恒温下AAO模板的膜厚(x)与时间(t)的关系式:x(t)=D+k·tk=σimexp(-B2Em)D为初始因子,表示模板生长到受离子迁移控制之前模板已生长的厚度;k是生长速率,表示模板稳定生长过程中的生长速率。当温度一定D,k都为定值。
　　 4、通过研究不同温度下AAO模板的生长速率,参照阿仑尼乌斯提出的化学反应速率常数与温度的经验式,建立了AAO模板的生长速率(k,单位:μm/min)与温度(T,单位:K)的经验关系式:k=A1exp(-Q/T)+y0A1=1.842E-18,Q=7.41,y0=0.0185、研究了附着型超薄氧化铝模板的一般制备方法,并制备出了不同厚度和孔洞纵横比的附着型超薄氧化铝模板。用该方法制备的模板与基板的结合比较紧密(无空隙),孔洞都为垂直于基板的通孔结构,且在基板上基本上没有发现残留的物质,保护膜溶解的比较彻底。