Porous anodic alumina formed on AA6063 aluminum alloy in a two-step process combining hard and mild anodization

• Autorzy: Norek M.

Identyfikatory

DOI

10.15199/28.2016.4.3

Warianty tytułu

PL

Porowaty anodowy tlenek aluminium wytworzony na stopie aluminium AA6063 w dwuetapowym procesie łączącym twarde i miękkie anodowanie

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Two-step process combining hard (in 0.3 M oxalic acid solution) and mild (in 0.1 M phosphoric acid solution) anodization at voltages ranging between 120 and 180 V was applied to prepare porous anodic alumina (PAA) on AA6063 alloy foil. The influence of ethanol on geometrical parameters of the PAAs was also tested. The analysis of the geometrical parameters as well as the current/voltage vs time transients suggested that alloying elements present in the AA6063 alloys play an important role in the relaxation of mechanical stresses at the metal/oxide interface occurring during the PAA’s growth. The effect contributed to comparable interpore distance Dc values (between 270÷370 nm) and similar regularity ratio parameter (RR) in the samples anodized in ethanol-free and ethanol-modified electrolyte, despite much larger average current densities registered for the former samples. The hexagonal pore ordering increased with the applied anodizing voltage.

PL

Porowaty anodowy tlenek aluminium (ATA) jest jedną z najczęściej używanych matryc do wytwarzania szerokiej gamy nanostruktur z różnych materiałów znajdujących zastosowania w optoelektronice, plazmonice czy medycynie. Do produkcji wysokiej jakości nanomateriałów jest wymagana matryca ATA charakteryzująca się dużym stopniem heksagonalnego uporządkowania nanoporów oraz ich równoległym ułożeniem wzdłuż całego przekroju. Anodowanie twarde (wysokoprądowe) jest procesem, który skutkuje wytworzeniem matryc ATA o takich właśnie cechach. Ponadto proces ten znacznie skraca czas wytwarzania matrycy oraz powoduje rozszerzenie zakresu możliwych do osiągnięcia parametrów geometrycznych ATA, tj. odległości między porami. Zwykle najlepszej jakości matryce uzyskuje się przez anodowanie aluminium o wysokiej czystości (5N). Wysokie koszty ultraczystego Al powodują, że poszukuje się materiałów alternatywnych do produkcji ATA, takich jak stopy aluminium. W pracy przeprowadzono dwuetapowy proces anodowania łączący anodowanie twarde (HA) w pierwszym etapie i anodowanie miękkie (MA) w drugim na stopie aluminium AA6063. Łączone procesy HA i MA umożliwiają uzyskanie heksagonalnie ułożonych, równoległych porów w całym przekroju matrycy ATA. Przeprowadzono kompleksową analizę matryc ATA wytworzonych w różnych napięciach z zakresu 120÷180 V. Zbadano wpływ etanolu na proces anodowania i budowę matrycy przez porównanie krzywych prądowych zarejestrowanych w trakcie anodowania z parametrami geometrycznymi oraz stopniem uporządkowania nanoporów obliczonych metodą FFT.

Słowa kluczowe

EN

hard anodization; guided anodization; porous anodic alumina (PAA)

PL

anodowanie twarde; aluminium techniczne; anodowanie sterowane; etanol; porowaty anodowy tlenek aluminium (ATA)

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2016
• Tom: Vol. 37, nr 4
• Strony: 163--171
• Opis fizyczny: Bibliogr. 45 poz., fig., tab.

Twórcy

autor

Norek M.

• Department of Advanced Materials and Technologies, Faculty of Advanced Technologies and Chemistry, Military University of Technology, Warszawa, Poland

Bibliografia

• [1] Jani A. M. Md, Losic D., Voelcker N. H.: Nanoporous anodic aluminium oxide: Advances in surface engineering and emerging applications. Progress in Materials Science 58 (2013) 636÷704.
• [2] Lee W., Park S.-J.: Porous anodic aluminium oxide: anodization and templated synthesis of functional nanostructures. Chem. Rev. 114 (2014) 7487÷7556.
• [3] Chen X., Yu D., Cao L., Zhu X., Song Y., Huang H., Lu L., Chen X.: Fabrication of ordered porous anodic alumina with ultra-large interpore distances using ultrahigh voltages. Mater. Res. Bull. 54 (2014) 116÷120.
• [4] Chi C.-S., Lee J.-H., Kim I., Oh H.-J.: Effects of microstructure of aluminium substrate on ordered nanopore arrays in anodic alumina. J. Mater. Sci. & Technol. 31 (2015) 751÷758.
• [5] Aerts T., Dimogerontakis Th., Graeve I. De, Fransaer J., Terryn H.: Influence of the anodizing temperature on the porosity and the mechanical properties of the porous anodic oxide film. Surface & Coatings Technology 201 (2007) 7310÷7317.
• [6] Fernández-Romero L., Montero-Moreno J. M., Pellicer E., Peiró F., Cornet A., Morante J. R., Sarret M., Müller C.: Assessment of the thermal stability of anodic alumina membranes at high temperatures. Materials Chemistry and Physics 111 (2008) 542÷547.
• [7] Montero-Moreno J. M., Belenguer M., Sarret M., Müller C. M.: Production of alumina templates suitable for electrodeposition of nanostructures using stepped techniques. Electrochimica Acta 54 (2009) 2529÷2535.
• [8] Shih T.-S., Wei P.-S., Huang Y.-S.: Optical properties of anodic aluminium oxide films on Al1050 alloys. Surface & Coatings Technology 202 (2008) 3298÷3305.
• [9] Runge M. R., Hossain T.: Interfacial phenomena in 7000 series alloys and their impact on the anodic oxide. Materials Today: Proceedings 2 (2015) 5055÷5062.
• [10] Yu C.-U., Hu C.-C., Bai A., Yang Y.-F.: Pore-size dependence of AAO films on surface roughness of Al-1050 sheets controlled by electropolishing coupled with fractional factorial design. Surface & Coatings Technology 201 (2007) 7259÷7265.
• [11] Bai A., Hub C.-C., Yang Y.-F., Lin C.-C.: Pore diameter control of anodic aluminium oxide with ordered array of nanopores. Electrochimica Acta 53 (2008) 2258÷2264.
• [12] Stępniowski W. J., Michalska-Domańska M., Norek M., Twardosz E., Florkiewicz W., Polkowski W., Zasada D., Bojar Z.: Anodization of cold deformed technical purity aluminium (AA1050) in oxalic acid. Surface & Coatings Technology 258 (2014) 268÷274.
• [13] Montero-Moreno J. M., Sarret M., Müller C.: Influence of the aluminium surface on the final results of a two-step anodizing. Surface & Coatings Technology 201 (2007) 6352÷6357.
• [14] Schneider M., Kremmer K.: The effect of bath aging on the microstructure of anodic oxide layers on AA1050. Surface & Coatings Technology 246 (2014) 64÷70.
• [15] Zaraska L., Sulka G. D., Szeremeta J., Jaskuła M.: Porous anodic alumina formed by anodization of aluminium alloy (AA1050) and high purity aluminium. Electrochimica Acta 55 (2010) 4377÷4386.
• [16] Michalska-Domańska M., Norek M., Stępniowski W. J., Budner B.: Fabrication of high quality anodic aluminium oxide (AAO) on low purity aluminium — A comparative study with the AAO produced on high purity aluminium. Electrochimica Acta 105 (2013) 424÷432.
• [17] Ono S., Saito M., Asoh H.: Self-ordering of anodic porous alumina induced by local current concentration: burning, Electrochem. Solid-State Lett.7 (2004) B21÷B24.
• [18] Ono S., Saito M., Ishiguro M., Asoh H.: Controlling factor of self-ordering of anodic porous alumina. J. Electrochem. Soc. 151 (2004) B473÷B478.
• [19] Lee W., Ji R., Gösele U., Nielsch K.: Fast fabrication of long-range ordered porous alumina membranes by hard anodization. Nature 5 (2006) 741÷747.
• [20] Li Y. B., Zheng M. J., Ma L.: High-speed growth and photoluminescence of porous anodic alumina films with controllable interpore distances over a large range. Appl. Phys. Lett. 91 (2007) 073109.
• [21] Cheng C., Ngan A. H. W.: Fast fabrication of self-ordered anodic porous alumina on oriented aluminium grains by high acid concentration and high temperature anodization. Nanotechnology 24 (2013) 215602.
• [22] Schwirn K., Lee W., Hillebrand R., Steinhart M., Nielsch K., Gösele U.: Self-ordered anodic aluminium oxide formed by H2SO4 hard anodization. ACS Nano 2 (2008) 302÷310.
• [23] Li Y., Ling Z. Y., Chen S. S., Wang J. C.: Fabrication of novel porous anodic alumina membranes by two-step hard anodization. Nanotechnology 19 (2008) 225604.
• [24] Li Y., Zheng M., Ma L., Shen W.: Fabrication of highly ordered nanoporous alumina films by stable high-field anodization. Nanotechnology 17 (2006) 5101÷5105.
• [25] Wang B., Fei G. T., Wang M., Kong M. G., Zhang L. D.: Preparation of photonic crystals made of air pores in anodic alumina. Nanotechnology 18 (2007) 365601.
• [26] Shang G. L., Fei G. T., Zhang Y., Yan P., Xu S. H., Ouyang H. M., Zhang L. D.: Fano resonance in anodic aluminium oxide based photonic crystals. Scientific Reports 4 (2014) 3601.
• [27] Tsao Y.-C., Fisker C., Pedersen T. G.: Nanoimprinted backside reflectors for a-Si:H thin-film solar cells: Critical role of absorber front textures. Optics Express 22 (2014) A651÷A662.
• [28] Han X. Y., Shen W. Z.: Improved two-step anodization technique for ordered porous anodic aluminium membranes. J. Electroanalytical Chem. 655 (2011) 56÷64.
• [29] Norek M., Dopierała M., Stępniowski W. J.: Ethanol influence on arrangement and geometrical parameters of aluminium concaves prepared in a modified hard anodization for fabrication of highly ordered nanoporous alumina. J. Electroanal. Chem. 750 (2015) 79÷88.
• [30] Horcas I., Fernandez R., Gomez-Rodriguez J. M., Colchero J., Gomez- Herrero J., Baro A. M.: WSXM: a software for scanning probe microscopy and a tool for nanotechnology. Rev. Sci. Instrum. 78 (2007) 013705.
• [31] Stępniowski W. J., Nowak-Stępniowska A., Presz A., Czujko T., Varin R. A.: The effects of time and temperature on the arrangement of anodic aluminium oxide nanopores. Mater. Charact. 91 (2014) 1÷9.
• [32] Yi L., Zhiyuan L., Xing H., Yisen L., Yi C.: Investigation of intrinsic mechanisms of aluminium anodization processes by analyzing the current density. RSC Advances 2 (2012) 5164÷5171.
• [33] Habazaki H., Shimitzu K., Skeldon P., Thompson G. E., Wood G. C.: Formation of amorphous anodic oxide films of controlled composition on aluminium alloys. Thin Solid Films 300 (1997) 131÷137.
• [34] Fratila-Apachitei L. E., Tichelaar F. D., Thompson G. E., Terryn H., Skeldon P., Duszczyk J., Katgerman L.: A transmission electron microscopy study of hard anodic oxide layers on AlSi(Cu) alloys. Electrochim. Acta 49 (2004) 3169÷3177.
• [35] Fratila-Apachitei L. E., Terryn H., Skeldon P., Thompson G. E., Duszczyk J., Katgerman L.: Influence of substrate microstructure on the growth of anodic oxide layers. Electrochim. Acta 49 (2004) 1127÷1140.
• [36] Fratila-Apachitei L. E., Duszczyk J., Katgerman L.: Voltage transients and morphology of AlSi(Cu) anodic oxide layers formed in H2SO4 at low temperature. Surf. Coat. Technol. 157 (2002) 80÷94.
• [37] Parkhutik W. P., Shershulsky V. I.: Theoretical modelling of porous oxide growth on aluminium. J. Phys. D: Appl. Phys. 25 (1992) 1258÷1263.
• [38] Li F. Y., Zhang L., Metzger R. M.: On the growth of highly ordered pores in anodized aluminium oxide. Chem. Mater. 10 (1998) 2470÷2480.
• [39] Chen S. H., Chan D.-S., Chen C.-K., Chang T.-H., Lai Y.-H., Lee C.-C.: Nanoimprinting pre-patterned effects on anodic aluminium oxide. Jpn. J. Appl. Phys. 49 (2010) 015201.
• [40] Singh G. K., Golovin A. A., Aranson I. S.: Formation of self-organized nanoscale porous structures in anodic aluminium oxide. Phys. Rev. B 73 (2006) 205422.
• [41] Chu S. Z., Wada K., Inoue S., Isogai M., Yasumori A.: Fabrication of ideally ordered nanoporous alumina films and integrated alumina nanotubule arrays by high-field anodization. Adv. Mater. 17 (2005) 2115÷2119.
• [42] Nielsch K., Choi J., Schwirn K., Wehrspohn R. B., Gosele U.: Self-ordering regimes of porous alumina: the 10 porosity rule., Nano Lett. 2 (2002) 677÷680.
• [43] Lee W., Nielsch W., K., Gösele U.: Self-ordering behavior of nanoporous anodic aluminium oxide (AAO) in malonic acid anodization. Nanotechnology 18 (2007) 475713.
• [44] Yi L., Zhiyuan L., Xing H., Yisen L., Yi C.: Formation and microstructures of unique nanoporous AAO films fabricated by high voltage anodization. J. Mater. Chem. 21 (2011) 9661÷9666.
• [45] Toccafondi C., Stępniowski W. J., Leoncini M., Salerno M.: Advanced arrangement analysis of anodic alumina formed by short anodization in oxalic acid. Mater. Charact. 78 (2013) 79÷86.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.