реферат (Нанопористые материалы - создание, области применения, особенности), страница 2

Механизм образования пористого оксида алюминия

Схематически пористый оксид можно представить в виде плотноупакованных ячеек, каждая из которых содержит в центре пору (рис. 1). Механизм образования пористой структуры оксида таков, что пора всегда отделена от алюминиевой подложки барьерной оксидной пленкой. Образование пор связано с одновременным протеканием процесса образования и растворения оксида. Формирование пористого оксида происходит в водных растворах серной, щавелевой и ортофосфорной кислот электрохимическим методом. Механизм образования представлен на рисунке 2. Линейное увеличение напряжения на начальной стадии процесса (участок 1 на кривой) связано с формированием непористого (барьерного слоя) оксида. Затем в оксиде зарождаются поры, при этом толщина барьерного слоя незначительно снижается, что выражается появлением убывающего участка 2 на кривой. В дальнейшем толщина барьерного оксида стабилизируется (участок 3). Таким образом, рост пористого оксида можно представить как последовательное продвижение границы раздела «оксид – металл» вглубь подложки. На данный момент существуют две концепции формирования анодной пористой структуры оксида алюминия: физико-геометрическая концепция и концепция критической плотности тока, являющаяся продолжением физико-геометрической. Физико-геометрическая модель предполагает, что основой образования как пористого, так и беспористого оксида является реакция взаимодействия алюминия с чистой водой, протекающая в сильных полях, а образование пор связано с одновременным протеканием процесса образования и растворения оксида: 2Al2O32Al + 3H2O – 6 e– + 6H+ .

Основные положения физико-геометрической концепции состоят в следующем:

1. Пористая анодная оксидная пленка представляет собой плотноупакованные оксидные ячейки, имеющие форму гексагональных призм, соединенных между собой по боковым граням. Размер ячеек пропорционален напряжению анодирования.

2. Ячейки оксида направлены нормально к поверхности металла и параллельны друг другу. В центре каждой ячейки имеется одна цилиндрическая пора, диаметр которой определяется природой электролита и составом анодируемого сплава.

3. Основанием ячеек служит плотный барьерный слой, примыкающий к металлу и имеющий аналогичную ячеистую структуру. Толщина барьерного слоя пропорциональна анодному напряжению.

4. Образование ячеек начинается с формирования барьерного слоя, который переходит со временем в пористый, а под его ячейками продолжается рост барьерного слоя.

5. С течением времени поры удлиняются из-за подтравливания электролитом дна пор. Рост анодной оксидной пленки происходит на границе «металл – пленка», на которой поверхность каждой ячейки представляет вогнутую полусферу.

Согласно концепции критической плотности тока, при формировании анодных оксидных пленок на алюминии роль катионов на границе «оксид – электролит» зависит от конкретных условий анодирования, главным образом от плотности тока. Критическая плотность тока определяет значение плотности j a , при котором и выше которого формируются плотные пленки, а ниже – пористые. Критическая плотность тока зависит от природы электролита, его рН, температуры и концентрации. При j a < j кр создаются условия для эжекции катионов алюминия в раствор электролита. Таким образом, при критической плотности тока материал анодной оксидной пленки образуется только на границе «металл – пленка» за счет переноса анионов. Следовательно, пленка, образованная на границе «металл – оксид», будет испытывать воздействие агрессивных частиц электролита, стимулированное электрическим полем и приводящее к ее растворению, которое начнется на активных центрах поверхности анодной оксидной пленки (рис. 3). Таким образом, образование пор вызвано стимулированным электрическим полем растворением пленки у оснований пор, которому может способствовать также локальный нагрев пленки за счет эффекта Джоуля. Под действием сильного поля происходит ослабление связей Al-O, что приводит к растворению анодной оксидной пленки. На стадии стационарного роста пор устанавливается динамическое равновесие между ростом пленки на границе «металл – пленка» и электростимулированным растворением у оснований пор. Присутствие пространственного заряда катионов Al3+ в пленке вокруг поры из-за их большей подвижности по сравнению с иона- ми OH– или O2– препятствует чрезмерному радиальному расширению поры и способствует тому, что ближайшая к ней пора образуется лишь на некотором расстоянии. Следующая пора в окрестности должна также возникнуть на подходящем расстоянии от предшественниц и так далее до достижения приблизительно плотноупакованного гексагонального распределения.

Основные полезные свойства пленок из оксида алюминия

• биологическая инертность

• самоорганизация

• высокая проницаемость

• высокая механической прочность

• экономичность и технологичность

• Огромная удельная поверхность
  
  
  
  

Области применения нанопористых материалов на основе оксида алюминия:

• Энергетика

Одно из самых масштабных и «прорывных» применений нанопористых мембранных материалов — разработка и создание так называемых наномембранно-каталитических реакторов — устройств, совмещающих процессы химической переработки сырья и разделение продуктов реакции. Градиентно-пористые керамические мембраны — «ансамбль наноразмерных каналов» плотностью до 1010 на 1 см2 мембраны. После нанесения катализаторов на стенки таких каналов мембрана превращается в совокупность наноразмерных реакторов. При использовании таких реакторов в фильтрационном режиме резко снижается температура, при которой становится возможным осуществление реакции, а также изменяется селективность реакции. Такие установки позволят осуществлять окислительные превращения метана и его гомологов во взрывобезопасном и экологически благоприятном режиме.

• Сенсоры окружающей среды

Нанопористые пленки активно используется при создании различных датчиков окружающей среды с хорошими функциональными характеристиками. За счет вариации технологических параметров и, как следствие, пористого слоя можно подобрать оптимальные параметры процесса, при котором будет обеспечиваться максимальная чувствительность датчиков окружающей среды. На основе Нанопористых мембран реализуются датчики влажности . Чувствительный элемент датчика влажности состоит из алюминиевой подложки, на которой сформирован слой пористого оксида электрохимическим анодированием, при этом слой пленки покрыт очень тонким, проницаемым для паров воды слоем золота. Алюминиевая подложка и слой золота образуют пару электродов (алюминиево-оксидный конденсатор). Между золотым контактом и алюминиевой подложкой измеряется емкость, которая зависит от влажности.

• Биология и медицина

Перспективно использование нанопористых мембран для различных целей в микробиологии. В современном мире, где необходимо быстрое и точное проведение различных анализов, для целевого лечения, используются миниатюрные приборы — лаборатории на чипе. Такие системы позволяют существенно сократить объемы проб для исследования и увеличить скорость проведения анализа. Также мембраны из пористого оксида алюминия используются для процесса иммобилизация белка, т. е. закрепления белков на неподвижной матрице. Это используется в высокочувствительных биологических сенсорах. Еще одним применением мембран ПАОА для биологических целей, является возможность предварительной подготовки крови для исследования на ВИЧ-инфекции. Преимуществом данной мембраны является размер цилиндрических пор и строгое заданное положение.

Электроника и электронные приборы

В настоящее время стали активно развиваться альтернативные методы литографии , так как литографические процессы являются довольно дорогими. Примером такого метода является нанопрофилирование (создание рельефа поверхности с наноразмерными элементами) полупроводников путём их плазменного травления с использованием твёрдой маски пористого анодного оксида алюминия.

Автоэмиссионные катоды (холодные катоды) - это источники электронов, принцип работы которых основан на явлении автоэлектронной эмиссии, т.е. на туннелировании электронов под действием приложенного электрического поля через потенциальный барьер на границе раздела "твердое тело - вакуум". Вероятность такого туннелирования определяется высотой потенциального барьера (работой выхода) и величиной приложенного электрического поля. Подобные катоды обладают очень большой плотностью тока, не требуют подогрева и практически безынерционны. Спектр применения автоэмиссионных катодов чрезвычайно широк: от приборов вакуумной электроники до эффективных источников света различного назначения. Но, пожалуй, самая перспективная область - плоские автоэмиссионные дисплеи для мониторов и телевизоров, не уступающие электронно-лучевым дисплеям по разрешению и яркости. Для таких применений необходимо формировать большие матрицы автоэмиссионных катодов Для этих целей могут использоваться высокоупорядоченные нанопористые структуры анодного оксида алюминия.

Заключение:

Выше изложенный материал позволяет составить мнение о нанопористых материалах, как об одной из наиболее перспективных современных разработок ученых. Ведь уже на сегодняшний день, после проведения сравнительно не глубоких исследований в этой сфере, ученые нашли массу полезных свойств данных материалов, выяснили что поле для их применения очень широко. При этом данные материалы имеют показатели технологичности и экономической выгоды от их производства на очень высоком уровне.

Список использованной литературы

1. Статья Преодоление дифракционного предела в оптик, М. Н. ЛибенсонСанкт-Петербургский государственный институт точной механики и оптики;адрес статью в интернете: http://nature.web.ru/db/msg.html?mid=1184676&uri=text1.html&_ga=1.60246381.1564445409.1442917551

2. Статья: Certus NSOM - сканирующий оптический микроскоп ближнего поля; адрес статью в интернете:http://www.nanoscantech.com/ru/products/spm/spm-131.html

3. Статья в интеренет Энциклопедии, адрес статью в интернете:https://ru.m.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D0%BB%D0%B8%D0%B6%D0%BD%D0%B5%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%BE%D0%BF%D1%82%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D0%BC%D0%B8%D0%BA%D1%80%D0%BE%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%BF%D0%B8%D1%8F

4. Вудраф, Д. Современные методы исследования поверхности /Д.Вудраф, Т. Делчар; пер. с англ. М., 1989.