Диссертация (1105446), страница 21
Текст из файла (страница 21)
Отчетливо видно, что полученныйпрофиль в точности совпадает с картой кристаллографической ориентации зереналюминия для данного образца, полученной методом дифракции обратно рассеянныхэлектронов (рис. 4.23б). Переход с одного зерна на другое приводит к изменениютолщины оксида на величину ~ 1 мкм при общей толщине оксидной пленки около 100мкм. При этом ширина границы между областями составляет ~ 100 мкм.Наиболее вероятно, что причина наблюдаемых различий связана с анизотропиейскоростейанодногоокисленияалюминиявразличныхкристаллографическихнаправлениях.
Сопоставление картыориентациизереналюминиясданными профилометрии позволилоустановить, что чем ближе ориентацияподложкик{111},темменьшетолщина оксидной пленки (рис. 4.23в).Наблюдаемая закономерность хорошообъяснима в рамках теории цепейпериодическойсвязи(PBC-теория[107]), согласно которой линейнаяскоростьхимическоготравлениякристаллического материала с ГЦКрешеткойотклоненияувеличиваетсяпомерекристаллографическойориентации его зерен от наиболееустойчивой к травлению грани {111}.Рис. 4.22.
Карта ориентации зерен алюминия,полученная методом дифракции обратнорассеянных электронов. Цветом показан уголотклонения плоскости зерен от ориентации{111}. На вставке – фотография оксиднойпленки, сформированной на поверхностиданной поликристаллической фольги.101Рис. 4.23. (а) Карта высотного профиля нижней поверхности пленки анодного оксидаалюминия, полученная по данным оптической профилометрии. (б) Карта кристаллографической ориентации зерен исходной алюминиевой фольги. Цветом показан уголотклонения плоскости зерен от ориентации {111}.
(в) Относительная высота профиляпористой оксидной пленки, выращенной на различных зернах алюминиевой подложки,которые разориентированы от плоскости {111} на угол α.4.3.2. Влияние микроструктуры алюминия на ориентационные корреляции всистеме порКак отмечалось ранее, пленки анодного оксида алюминия имеют доменнуюструктуру: внутри домена поры формируют малодефектную гексагональную упаковку иимеют сходное направление ориентации их ближайшего окружения.
Соседние доменыпри этом разориентированы друг относительно друга на некоторый угол в плоскостиобразца. Упорядоченные области, как правило, по площади не превосходят несколькоквадратных микрометров даже после продолжительного анодирования. Это общаяособенность для пористых пленок, полученных как на поликристаллических фольгах, таки на монокристаллах алюминия [21, 106].Ранее было показано, что пленки анодного оксида алюминия, полученные вопределенных условиях, обладают выделенным направлением ориентации системы пор вплоскости образца [42, 86].
Кроме того, ориентационные корреляции распространяются намакроскопические расстояния, превышающие несколько миллиметров. Другими словами,в процессе анодирования домены микронного размера с гексагональной упаковкой порвыстраиваются вдоль некоторых выделенных направлений в плоскости пленки наплощадях ~ 1 см2. Однако границы распространения наблюдаемого ориентационногопорядка в плоскости пленки до настоящего момента оставались неизвестными.Для визуализации доменной структуры анодного оксида алюминия удобно102воспользоваться алгоритмом цветовой кодировки, основные положения которого былипредложены в работе [21]. Реализация данного алгоритма, в общем случае, состоит изчетырех последовательных стадий:обработка РЭМ изображения пористой оксидной пленки в программе ImageJ[92] с целью нахождения положения центра каждой поры на изображении вдекартовой системе координат;поиск в полученном массиве координат центров пор ближайших соседей длякаждого канала с использованием алгоритма Вороного;расчет угла φi между вектором, соединяющим выбранную пору сближайшей соседней из числа найденных на предыдущем шаге, иположительной полуосью абсцисс (см.
рис. 2.31) – данная величинапереводится в интервал [0°; 59°] путем многократного прибавления иливычитания 60° и усредняется по всем ближайшим соседям (величина <φ>);раскраска поры на РЭМ изображении в зависимости от угла <φ> всоответствии с введенной цветовой шкалой.В результате на основании изображения растровой электронной микроскопииформируется цветная карта, показывающая ориентацию рядов пор в плоскости оксиднойпленки(рис. 4.24а, б).Применениеданногоалгоритмапозволяетнетольковизуализировать доменную структуру анодного оксида алюминия, но и нагляднодемонстрирует дефекты в гексагональной упаковке каналов (на изображении окрашеныбелым цветом).Применение алгоритма цветовой кодировки к изображениям РЭМ при маломувеличении (рис.
4.24в) позволяет визуализировать вышеупомянутые ориентационныекорреляции в структуре анодного оксида алюминия на большой площади. Наизображении отчетливо видно преобладание зеленой окраски системы пор, чтосоответствует <φ> ~ 25° согласно выбранной цветовой шкале. Распределение ориентациирядов пор для данного участка анализа представлено в виде гистограммы на рисунке4.24г. На изображении виден четкий максимум, аналогичный по своей природе шестимаксимумам первого порядка на дифракционных картинах (см.
рис. 2.32). Его положение(<φ>) соответствует выделенному направлению ориентации системы пор, а ширина наполувысоте (FWHM) характеризует мозаичность пористой структуры (Δφ).103Рис. 4.24. (а) Изображение РЭМ нижней поверхности мембраны анодного оксидаалюминия после удаления барьерного слоя. (б) Изображение РЭМ после цветовойкодировки – поры раскрашены в зависимости от среднего угла ориентации ближайшегоокружения.
Белым показаны поры, не имеющие гексагонального окружения.(в) Изображение РЭМ при малом увеличении после цветовой кодировки. Видноприсутствие выделенного направления ориентации рядов пор. (г) Распределение пор поуглу ориентации для изображения на панели (в).Для понимания природы возникновения ориентационных корреляций в структуреанодного оксида алюминия на макромасштабе в настоящей работе были определенывеличины <φ> и Δφ для системы пор в пределах различных зерен алюминиевой подложки.Для определения выделенного направления ориентации на выбранном участке оксиднойпленки возможно использование методов растровой электронной микроскопии ималоугловой рентгеновской дифракции.
Однако использование дифракционного подходадля картирования пористой пленки сопряжено со значительными инструментальнымизатруднениями. Поэтому в настоящей работе был применен метод РЭМ совместно салгоритмомиспользовалицветовойкодировкиизображения,полученныхполученныесмикрофотографий.нижнейстороныДляоксиднойанализапленки(двухстадийное анодирование в 0,3 М щавелевой кислоте при 40 В) после удалениябарьерного слоя. Для возможности определения направления ориентации системы поротносительно кристаллической структуры исходного металла алюминиевую подложкурастворяли не полностью (см.
рис. 3.3а). Края образца использовали в качестве реперныхточек при сопоставлении изображений растровой электронной микроскопии с картами104кристаллографической ориентации алюминия, полученными методом дифракции обратнорассеянных электронов.Следует отметить, что площадь единичного участка анализа пористой структурыметодом РЭМ составляла ~ 2500 мкм2, что соответствует усреднению по 100 ÷ 200доменам пористой структуры или более чем 105 пор.
Анализ был проведен в более чем100 точках, соответствующих различным зернам поликристаллической алюминиевойфольги. Все это говорит о высокой статистической достоверности полученных данных.На рисунке 4.25 представлены результаты сопоставления координат точек, вкоторых был проведен анализ пористой структуры методом РЭМ, с картой ориентациизерен металлической подложки по данным ДОРЭ.
В таблице 4.3 приведены значениявыделенного направления ориентации системы пор в данных точках (<φ>), а такжесредние значения для группы точек, лежащих в пределах одного зерна алюминия. Анализполученных данных показывает строгую корреляцию между ориентацией рядов пор вплоскости образца и микроструктурой металла. Внутри одного зерна угол, отражающийориентацию системы пор, совпадает для различных участков оксидной пленки. Припереходе через межзеренную границу среднее направление рядов пор резко меняется.Таким образом, полученные данные демонстрируют наличие строгой взаимосвязимежду кристаллографической ориентацией металла и ориентацией системы пор анодногооксида алюминия в плоскости образца.
Однако анализ пористой структуры наповерхностиполикристаллическихфольгсослучайнойкристаллографическойориентацией зерен металла не позволяет однозначно судить о причинах возникновениянаблюдаемойисследованиезакономерности.процессаДлярешенияформированияданногоупорядоченныхмонокристаллах алюминия с сингулярными гранями.105вопросабылопористыхпроведенопленокнаРис.
4.25. Карты кристаллографической ориентации алюминия, полученные методомдифракции обратно рассеянных электронов, с нанесенными точками, которыесоответствуют участкам исследования пористой пленки методом растровой электронноймикроскопии. Цветовая шкала показывает кристаллографическую ориентацию зереналюминия (а) и выделенное направление ориентации системы пор (б). Панель (в)иллюстрирует изменение ориентации системы пор вдоль линии синих точек на панели (а).Горизонтальные линии и заштрихованные области показывают среднее значение истандартное квадратичное отклонение для представленной выборки, соответственно.Вертикальные линии обозначают границы зерен алюминия.106Таблица 4.3.
Выделенное направление ориентации системы пор по данным растровойэлектронной микроскопии и последующей цветовой кодировки для оксидной пленки,выращенной на различных зернах алюминиевой фольги. Номера точек соответствуютприведенным на рисунке 4.25б. Серым выделены точки, расположенные внепосредственной близости от границ зерен, что приводит к отклонению выделенногонаправления ориентации системы пор от среднего значения для данного зерна.№№123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839Выделенноенаправлениеориентации <φ>, °Зерно 120,6 ± 0,321,2 ± 0,518,6 ± 0,9Зерно 247,8 ± 0,455,6 ± 0,554,5 ± 0,257,0 ± 0,452,2 ± 0,449,4 ± 0,449,6 ± 0,453,2 ± 0,351,5 ± 0,452,7 ± 0,30,4 ± 0,359,4 ± 0,458,6 ± 0,357,2 ± 0,450,3 ± 0,354,1 ± 0,551,6 ± 0,256,2 ± 0,356,9 ± 0,352,5 ± 0,31,9 ± 1,558,2 ± 1,052,5 ± 0,452,5 ± 0,556,8 ± 0,653,5 ± 0,557,0 ± 0,552,3 ± 1,658,8 ± 1,351,6 ± 0,651,2 ± 0,958,8 ± 1,351,6 ± 0,651,2 ± 0,949,1 ± 1,054,9 ± 1,4Средняяориентацияпо зерну, °4041424344454647484950515253545556575859606162636465666720,1 ± 1,454,2 ± 3,468697071727374757677787910755,1 ± 0,654,0 ± 1,850,8 ± 1,7Зерно 328,6 ± 0,630,1 ± 1,232,0 ± 0,632,8 ± 1,225,8 ± 1,233,3 ± 1,231,0 ± 0,826,0 ± 1,232,1 ± 0,736,7 ± 0,924,2 ± 0,330,5 ± 0,329,0 ± 0,623,2 ± 1,026,4 ± 1,020,8 ± 1,234,2 ± 0,625,4 ± 0,620,6 ± 0,724,8 ± 0,932,1 ± 0,930,0 ± 0,935,7 ± 0,731,3 ± 1,428,0 ± 0,6Зерно 456,1 ± 0,70,9 ± 0,357,1 ± 0,353,4 ± 0,458,9 ± 0,31,1 ± 0,7Зерно 541,5 ± 0,744,5 ± 0,541,3 ± 1,646,6 ± 0,834,6 ± 0,335,4 ± 0,629,0 ± 4,457,9 ± 3,040,7 ± 4,8Зерно 616,4 ± 0,217,2 ± 0,316,2 ± 0,213,3 ± 0,316,5 ± 0,316,0 ± 0,412,5 ± 0,318,1 ± 0,48081828384858687888990919293949516,4 ± 1,615,1 ± 0,317,8 ± 0,817,4 ± 0,417,8 ± 0,317,5 ± 0,416,5 ± 0,316,4 ± 0,518,0 ± 0,44.3.3.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
