CH709962A2 - An electrochemical process for producing adherent metal coatings on aluminum surfaces. - Google Patents
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Abstract
Ein Verfahren zum Abscheiden von Metallen auf einer hergestellten Aluminiumoxidschicht auf einer Oberfläche eines Werkstücks, während die Oxidschicht eine nanoporöse Oxidschicht mit einer Vielzahl von Nanoporen, die senkrecht oder fast senkrecht zur Oberflächenebene verlaufen, und eine Barriereschicht unten an der nanoporösen Oxidschicht umfasst, sollte verbessert werden, um stabilere Wachstumsbedingungen während des elektrochemischen Abscheidens und Erreichen eines hohen Füllfaktors zu erreichen. Dies wird durch Definieren eines optimalen Füllpotentials erreicht, bevor eine elektrochemische Abscheidung im potentiostatischen Modus eines erwünschten Metalls in einem Bad umfassend eine Metallkomponente in Form potentiostatischer Umkehrpuls-Abscheidung durchgeführt wird, umfassend Zyklen von aufeinanderfolgenden Pulsen eines kurzen kathodischen Pulses bei der bestimmten optimalen Füllspannung für kathodische Pulszeiten (Δt1) von mindestens 8 ms und eines darauffolgenden kurzen anodischen Pulses bei einer anodischen Pulsspannung mit anodischen Pulszeiten (Δt2) höher oder gleich 0 ms.A method for depositing metals on a fabricated alumina layer on a surface of a workpiece while the oxide layer comprises a nanoporous oxide layer having a plurality of nanopores that are perpendicular or nearly perpendicular to the surface plane and a barrier layer at the bottom of the nanoporous oxide layer should be improved to achieve more stable growth conditions during electrochemical deposition and achieving a high fill factor. This is accomplished by defining an optimum fill potential before conducting electrochemical deposition in the potentiostatic mode of a desired metal in a bath comprising a potentiostatic reverse pulse deposition metal component comprising cycles of successive pulses of short cathodic pulse at the determined optimum cathodic fill voltage Pulse times (Δt1) of at least 8 ms and a subsequent short anodic pulse at an anodic pulse voltage with anodic pulse times (Δt2) higher or equal to 0 ms.
Description
TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA
[0001] Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren zum Abscheiden von Metallen auf einer auf einer Oberfläche eines Werkstücks hergestellten Aluminiumoxidschicht, während die Oxidschicht eine nanoporöse Oxidschicht mit einer Vielzahl von Nanoporen, die senkrecht oder fast senkrecht zur Oberflächenebene verlaufen, und eine Barriereschicht unten an der nanoporösen Oxidschicht umfasst. The present invention describes a method of depositing metals on an aluminum oxide layer formed on a surface of a workpiece while the oxide layer comprises a nanoporous oxide layer having a plurality of nanopores that are perpendicular or nearly perpendicular to the surface plane and a barrier layer at the bottom includes nanoporous oxide layer.
STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART
[0002] Seit den Neunzehnhunderfünfziger Jahren besteht eine allgemein bekannte Art des Beschichtens von Oberflächen von Aluminiumartikeln und Werkstücken mit Metallen aus dem vorhergehenden Abscheiden einer dünnen Zn-Schicht; dies ist das Prinzip des sogenannten Zinkat-Verfahrens. Since the nineteen-fifties there has been a well-known way of coating surfaces of aluminum articles and workpieces with metals from the previous deposition of a thin Zn layer; This is the principle of the so-called zincate process.
[0003] Das Hauptziel ist das Abscheiden einer gut haftenden Schicht Nickel auf einer Aluminiumoxidfläche als universelle Basis für weitere elektrochemische Abscheideschritte. Aluminium weist eine Oxidschicht von einigen wenigen Nanometern auf, der die einzigartigen Korrosionseigenschaften dieses Materials zuzuschreiben sind. Die Oxidschicht verhindert das verlässliche Galvanisieren auf Aluminium und bei allen derzeitigen Verfahren zum Galvanisieren auf Aluminium wird versucht, diese Schicht vor dem Plattieren zu entfernen. The main objective is the deposition of a well-adhering layer of nickel on an aluminum oxide surface as a universal basis for further electrochemical deposition steps. Aluminum has an oxide layer of a few nanometers, due to the unique corrosion properties of this material. The oxide layer prevents reliable plating on aluminum and in all current aluminum plating processes it is attempted to remove this layer prior to plating.
[0004] Wie bei Zelley, W.G., FORMATION OF IMMERSION ZINC COATINGS ON ALUMINIUM (Bildung von Tauchzinkbeschichtungen auf Aluminium). Journal of the Electrochemical Society 1953, 100 (7), 328–333 gezeigt, bietet diese dünne Zn-Schicht Schutz gegen Oxidation und verhindert so die Bildung einer nativen dielektrischen Oxidschicht, die sonst das Erzeugen intermetallischer Bindungen zwischen dem elektrochemisch Aufgetragenen und dem Substrat ausschliessen würde. Jedoch sind die Verlässlichkeit und Reproduzierbarkeit dieses Verfahrens nicht optimal und wiederholte Beanspruchungen der resultierenden Beschichtung der Zn-Schicht und einer späteren Metallschicht könnten ihrem Versagen durch Delaminieren oder Abblättern führen. Daher werden zur Zeit alternative Verfahren gesucht. As in Zelly, W.G., FORMATION OF IMMERSION ZINC COATINGS ON ALUMINUM (Formation of dip zinc coatings on aluminum). Journal of the Electrochemical Society 1953, 100 (7), 328-333, this thin Zn layer provides protection against oxidation and thus prevents the formation of a native dielectric oxide layer which would otherwise preclude generation of intermetallic bonds between the electrochemically deposited and the substrate would. However, the reliability and reproducibility of this process are not optimal and repeated stresses on the resulting Zn layer coating and a later metal layer could result in its delamination or delamination failure. Therefore, alternative methods are currently being sought.
[0005] In dieser Anmeldung bezieht sich der Begriff «Aluminium» auf Aluminium und Aluminiumlegierungen. Ein verbessertes Verfahren zum Abscheiden von Metallen wie Nickel auf Oberflächen von Werkstücken mit einer nanoporösen Oxidschicht wird gesucht. In this application, the term "aluminum" refers to aluminum and aluminum alloys. An improved method for depositing metals such as nickel on surfaces of workpieces having a nanoporous oxide layer is sought.
[0006] Während der letzten Jahrzehnte hat das Anodisieren von Aluminium viel kommerzielles und wissenschaftliches Interesse auf sich gezogen, weil unter geeigneten Bedingungen es zum Wachsen einer porösen Oxidschicht mit angeordneten Nanoporen führt. During the last decades, the anodization of aluminum has attracted much commercial and scientific interest because, under suitable conditions, it leads to the growth of a porous oxide layer with nanopores arranged.
[0007] Wie in US 4 431 489 offenbart, ist es bekannt, durch Ausgehen vom Anodisieren eines Aluminiumwerkstücks, insbesondere den Oberflächen des Aluminiumwerkstücks, in einer wässrigen Schwefelsäure, eine poröse Aluminiumoxidbeschichtung zu bilden. In einem zweiten Schritt wird eine Elektrolyse in einem sauren wässrigen Bad, das verschiedene lösliche Metallsalze, beispielsweise Nickelsulfamat, enthält, durchgeführt, was zum Beschichten der hergestellten porösen Aluminiumoxidfläche führt. Die mit diesem Verfahren erreichte Nickelabscheidung ist aufgrund einer unklaren Offenbarung des optimalen Abscheidungsparameters nicht reproduzierbar. As disclosed in US 4,431,489, it is known to form a porous alumina coating by starting from anodizing an aluminum workpiece, particularly the surfaces of the aluminum workpiece, in an aqueous sulfuric acid. In a second step, electrolysis is carried out in an acidic aqueous bath containing various soluble metal salts, for example, nickel sulfamate, resulting in coating of the produced porous alumina surface. The nickel deposition achieved with this method is not reproducible due to an unclear disclosure of the optimal deposition parameter.
[0008] Masuda und Fukuda, Masuda, H.; Fukuda, K., ORDERED METAL NANOHOLE ARRAYS MADE BY A 2-STEP REPLICATION OF HONEYCOMB STRUCTURES OF ANODIC ALUMINA (Geordnete Metallnanolochanordnungen, die durch eine 2-Schritt-Nachbildung von Wabenstrukturen von anodischem Aluminiumoxid hergestellt sind), Science 1995, 268 (5216) haben ein Zweischritt-Anodisierungsverfahren entwickelt, das es gestattet, eine hohe Ordnung von Nanoporen zu erhalten, deren Achse senkrecht zum Substrat liegt. Die Poren sind in einer hexagonalen eng gepackten Zelle organisiert, was zu einer sehr hohen Porendichte führt. Ferner können die Poren- und Zelldimensionen durch die Anodisierungsbedingungen eingestellt werden und es ist gezeigt worden, dass Nanoporen mit einem Durchmesser von weniger als 10 nm in Schwefelsäure erhalten werden können. Diese Oxidschicht besteht aus zwei verschiedenen Teilen: der porösen Oxid- und der Barriereschicht. Letztere macht das elektrochemische Abscheiden innerhalb der nanoporösen Oxidschicht schwierig. Masuda and Fukuda, Masuda, H .; Fukuda, K., ORDERED METAL NANOHOLE ARRAYS MADE BY A 2-STEP REPLICATION OF HONEYCOMB STRUCTURES OF ANODIC ALUMINA (Ordered Metal Nanochonochrome Assemblies Prepared by a 2-Step Modeling of Anodic Alumina Honeycombs), Science 1995, 268 (5216) have developed a two-step anodization process that allows to obtain a high order of nanopores whose axis is perpendicular to the substrate. The pores are organized in a hexagonal tightly packed cell, resulting in a very high pore density. Further, the pore and cell dimensions can be adjusted by the anodization conditions and it has been shown that nanopores with a diameter of less than 10 nm can be obtained in sulfuric acid. This oxide layer consists of two different parts: the porous oxide and the barrier layer. The latter makes electrochemical deposition within the nanoporous oxide layer difficult.
[0009] In EP 0 368 470 ist ein Verfahren zum Abscheiden einer Metallschicht auf einer anodisierten Aluminiumoberfläche offenbart. Nach dem Anodisieren des Aluminiumsubstrats (d.h. der Herstellung einer porösen anodisierten Schicht, die Poren darin aufweist) wird eine Wechselstrom- oder modifizierte Wechselstrom-(Wechselstrom und überlagerte Gleichstrom-) Abscheidung eines porenfüllenden Metalls in die Poren zum Füllen der Poren mit dem Metall bis zur Oberfläche der anodisierten Schicht durchgeführt, wodurch eine kontinuierliche Trägerschicht auf der Oberfläche der anodisierten Schicht einer Dicke im Mikrometerbereich vor Abscheiden mindestens einer Beschichtung aus einem Abschlussmetall auf der Trägerschicht durchgeführt. Durch Überlagern eines Gleichstromabscheidungsstroms während des Abscheidens mit Wechselstromspannung, wird das Aufbrechen der Barriereschicht vermieden. Dieses Verfahren führt zu einer ungenügenden Porenfüllung und einer langsamen Abscheiderate. EP 0 368 470 discloses a method for depositing a metal layer on an anodized aluminum surface. After anodizing the aluminum substrate (ie, forming a porous anodized layer having pores therein), an AC or modified AC (AC and superimposed DC) deposition of a pore filling metal into the pores to fill the pores with the metal up to Surface of the anodized layer, whereby a continuous support layer on the surface of the anodized layer of a thickness in the micrometer range before depositing at least one coating of a final metal on the support layer performed. By superimposing a DC deposition current during AC voltage deposition, breakage of the barrier layer is avoided. This method results in insufficient pore filling and a slow rate of deposition.
[0010] Die bekannten Anodisierungsverfahren werden in der Industrie, beispielsweise zum Aluminiumfärben, weitverbreitet angewendet, weisen jedoch Grenzen bezüglich der Reproduzierbarkeit auf und sie hängen stark von der Legierungszusammensetzung ab. The known anodization methods are widely used in the industry, for example, for aluminum dyeing, but have limitations in reproducibility and are highly dependent on the alloy composition.
[0011] Es ist bewiesen worden, dass einige Metalle (z.B. Nickel) direkt auf der Barriereoxidschicht, die unten an den Nanoporen auf einer Oberfläche von Aluminium- und Aluminiumlegierungsartikeln vorliegen, abgeschieden werden können. Jedoch erfordert es ein hohes Potential, damit die Elektronen durch die Barriereoxidschicht hindurchtunneln und es wird daher empfohlen, diese dielektrische Schicht vorher dünner zu machen. It has been proven that some metals (e.g., nickel) can be deposited directly on the barrier oxide layer present at the bottom of the nanopores on a surface of aluminum and aluminum alloy articles. However, it requires a high potential for the electrons to tunnel through the barrier oxide layer, and it is therefore recommended to thinner this dielectric layer beforehand.
[0012] Das elektrochemische Abscheiden verschiedener Metalle innerhalb der Nanoporen ist mit verschiedenen Verfahren, beispielsweise umkehrpulsgalvanostatisches Absetzen, Nielsch, K., Muller, F., Li, A. P., Gosele, U., Uniform nickel deposition into ordered alumina pores by pulsed electrodeposition (Gleichförmige Nickelabscheidung in geordnete Aluminiumoxidporen durch pulsierte elektrochemische Abscheidung). Advanced Materials 2000, 12 (8), untersucht worden. Bisher sind die kathodischen Pulse immer im galvanostatischen Modus aufgebracht worden. So ist dies für Modifikationen des aktiven Oberflächenbereichs sehr empfindlich, die während der verschiedenen Stufen des Nanoporenfüllens stattfinden. The electrochemical deposition of various metals within the nanopores is by various methods, for example, reverse pulse galvanostatic settling, Nielsch, K., Muller, F., Li, AP, Gosele, U., Uniform nickel deposition into ordered alumina pores by pulsed electrodeposition ( Uniform nickel deposition into ordered alumina pores by pulsed electrochemical deposition). Advanced Materials 2000, 12 (8). So far, the cathodic pulses have always been applied in galvanostatic mode. Thus, this is very sensitive to modifications of the active surface area that occur during the various stages of nanopore filling.
[0013] Weil der aktive Oberflächenbereich sich während des Füllens von Nanoporen und dem Wachsen der Deckmetallschicht herausbildet, ist das stromregulierte Abscheiden nicht geeignet, wenn eine Bildung einer Nickeldeckschicht erforderlich ist. Es wird ein Verfahren benötigt, das zum Metallfüllen von Nanoporen mit einem hohen Füllverhältnis führt und eine deckende Metallschicht regulierbarer Dicke aufbaut. Because the active surface area is formed during the filling of nanopores and the growth of the cover metal layer, the current-regulated deposition is not suitable when formation of a nickel capping layer is required. What is needed is a process that results in the metal filling of nanopores with a high filling ratio and builds up a covering metal layer of adjustable thickness.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDESCRIPTION OF THE INVENTION
[0014] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verlässliches elektrochemisches Abscheideverfahren für das Wachsenlassen von Metallen auf einer anodisierten Aluminiumoberfläche eines Werkstücks durch Erreichen stabilerer Wachstumsbedingungen während des elektrochemischen Abscheidens, Erreichen eines hohen Füllfaktors, Vermeiden des Entfernens einer Oxidschicht und/oder vorherigen Abscheidens einer vorhergehenden Zn-Schicht vor einer weiteren Metallabscheidung zu schaffen. The object of the present invention is to provide a reliable electrochemical deposition process for growing metals on an anodized aluminum surface of a workpiece by achieving more stable growth conditions during electrochemical deposition, achieving a high fill factor, avoiding the removal of an oxide layer, and / or previous deposition to create a previous Zn layer before further metal deposition.
[0015] Um das Problem des verlässlichen Abscheidens vor einem elektroschemischen Abscheideschritt zu lösen, wird das optimale Füllpotential in einem Bestimmungsschritt bestimmt. Nachdem das Füllpotential der nanoporösen Aluminiumoberfläche mit Bezug auf die Barriereschichtdicke bestimmt worden ist, wird die elektrochemische Abscheidung in Form einer potentiostatischen Umkehrpuls-Abscheidung durchgeführt, die mindestens eine Vielzahl von Zyklen eines kurzen kathodischen Pulses und eines darauffolgenden kurzen anodischen Pulses bei dem definierten optimalen Füllpotential umfasst. Es war zu sehen, dass die Pulsparameter der potentiostatischen Umkehrpuls-Abscheidung einen Einfluss auf das Füllverhältnis und die Metallbeschichtungsmorphologie ausüben. Das optimale Füllpotential sollte durch analytische Verfahren (z.B. Voltammetrie) bestimmt werden, da es je nach Legierungszusammensetzung, Barriereschichtdicke und den elektrolytischen Bedingungen stark variieren kann. In order to solve the problem of reliable deposition before an electrochemical deposition step, the optimum filling potential is determined in a determining step. After the fill potential of the nanoporous aluminum surface has been determined with respect to the barrier layer thickness, the electrochemical deposition is performed in the form of potentiostatic reverse pulse deposition comprising at least a plurality of short cathodic pulse cycles followed by a short anodic pulse at the defined optimum fill potential , It has been seen that pulse parameters of potentiostatic reverse pulse deposition have an impact on fill ratio and metal coating morphology. The optimal filling potential should be determined by analytical methods (e.g., voltammetry) since it can vary widely depending on the alloy composition, barrier layer thickness, and electrolytic conditions.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
[0016] Eine bevorzugte beispielhafte Ausführungsform des Gegenstands der Erfindung ist unten im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen beschrieben. <tb>Fig. 1<SEP>zeigt eine schematische Schnittansicht eines Aluminiumwerkstücks während des Metallfüllens der porösen Oxidschicht, während <tb>Fig. 2<SEP>Stromdurchgangskurven zeigt, die während des Nickelfüllens einer porösen anodischen Aluminiumoxidschicht durch potentiostatisches Umkehrpuls-Abscheiden aufgezeichnet worden sind. <tb>Fig. 3<SEP>zeigen zyklische Voltammogramme eines Ausdünnten Watts-Bads, das bei 1 V/s für die AAO-Patrize aufgezeichnet worden ist für <tb><SEP>a) eine Probe mit einem angewendeten Ausdünnungspotential von 10 V und <tb><SEP>b) verschiedene Proben, die mit Ausdünnungspotentialen zwischen 2,5 V und 10 V hergestellt worden sind, was verschiedene kathodische Peakpotentiale zeigt, und <tb><SEP>c) für Proben, die mit demselben Ausdünnungspotential hergestellt worden sind, das in Sulfamatbad und Watts-Bädern gemessen worden ist, was zu verschiedenen kathodischen Peakpotentialen führt. <tb>Fig. 4<SEP>zeigt eine schematische Schnittansicht eines Aluminiumwerkstücks während eines Herstellungsvorgangs umfassend eine Mehrschrittanodisierung, während <tb>Fig. 5<SEP>die Potential- und Stromdurchgangskurve zeigt, die während des zweiten Anodisierungsschritts, eines darauffolgenden Barriereschicht-Ausdünnungsschritts und eines Barriereschicht-Homogenisierungsschritts aufgezeichnet worden ist. <tb>Fig. 6a ) bis 6c )<SEP>zeigen REM-Mikrografien der Herstellungsschritte, während der die anodisierte Aluminiumoberfläche einer reinen Aluminiumprobe gebildet worden ist, während <tb>Fig. 6d<SEP>eine REM-Mikrografie einer Nickelbeschichtung zeigt, die durch potentiostatische Umkehrpuls-Abscheidung auf einer hergestellten anodisierten Aluminiumoberfläche einer reinen Aluminiumprobe gezüchtet wird.A preferred exemplary embodiment of the subject invention is described below in conjunction with the accompanying drawings. <Tb> FIG. FIG. 1 shows a schematic sectional view of an aluminum workpiece during metal filling of the porous oxide layer, while FIG <Tb> FIG. Figure 2 shows <SEP> current passage curves recorded during nickel filling of a porous anodic aluminum oxide layer by potentiostatic reverse pulse deposition. <Tb> FIG. 3 <SEP> show cyclic voltammograms of a thinned out Watts bath recorded at 1 V / s for the AAO patrix <tb> <SEP> a) a sample with an applied thinning potential of 10 V and b) various samples prepared with thinning potentials between 2.5V and 10V showing different cathodic peak potentials, and c) for samples made with the same thinning potential measured in sulfamate bath and Watts baths, resulting in different cathodic peak potentials. <Tb> FIG. FIG. 4 shows a schematic sectional view of an aluminum workpiece during a manufacturing process including multi-step anodization. FIG <Tb> FIG. 5 shows the potential and current passage curve recorded during the second anodization step, a subsequent barrier layer thinning step, and a barrier layer homogenization step. <Tb> FIG. 6a) to 6c) show SEM micrographs of the manufacturing steps during which the anodized aluminum surface of a pure aluminum sample has been formed <Tb> FIG. Figure 6d shows a SEM micrograph of a nickel plating grown by potentiostatic reverse pulse deposition on a prepared anodized aluminum surface of a pure aluminum sample.
BESCHREIBUNGDESCRIPTION
[0017] Im Folgenden wird ein Beschichtungsverfahren für Metall auf die Oberfläche eines Werkstücks 0 umfassend Aluminium oder Aluminiumlegierungen vorgelegt. An der Oberfläche des Werkstücks 0 werden eine Aluminiumoxidschicht 1 umfassend eine nanoporöse Oxidschicht 10 mit einer Vielzahl von Nanoporen und eine Barriereschicht 11 am Nanoporenboden in einem vorhergehenden Herstellungsprozess gebildet. Das elektrochemische Abscheiden von Nickel wird auf der Oxidschicht 1, auch anodische Aluminiumoxid- (AAO-) Patrize genannt, durchgeführt. In the following, a coating method for metal is presented on the surface of a workpiece 0 comprising aluminum or aluminum alloys. On the surface of the workpiece 0, an aluminum oxide layer 1 comprising a nanoporous oxide layer 10 having a multiplicity of nanopores and a barrier layer 11 are formed on the nanopore bottom in a preceding manufacturing process. The electrochemical deposition of nickel is carried out on the oxide layer 1, also called anodic alumina (AAO) patrix.
[0018] Elektrochemische Abscheidung Electrochemical deposition
[0019] Eine elektrochemische Abscheidung eines Metalls, bevorzugt von Nickel, wird im potentiostatischen Modus in einer elektrolytischen Zelle umfassend Elektroden in einem Watts-Bad oder einem Sulfamatbad durchgeführt. Durch die Elektroden können Potentiale aufgebracht und Messbestimmungen konnten durchgeführt werden. Electrochemical deposition of a metal, preferably nickel, is carried out in the potentiostatic mode in an electrolytic cell comprising electrodes in a Watts bath or a Sulfamatbad. Potentials can be applied by the electrodes and measuring determinations could be carried out.
[0020] Neben Nickel können andere Metalle wie Cu, Fe, Co, Ag, Au ebenfalls abgeschieden werden, während die Verwendung von Elektrolyten angepasst und die chemische und physikalische Stabilität von Aluminiumoxid für die Auswahl der elektrochemischen Bedingungen berücksichtigt werden muss. In addition to nickel, other metals such as Cu, Fe, Co, Ag, Au may also be deposited while adjusting the use of electrolytes and taking account of the chemical and physical stability of alumina in the choice of electrochemical conditions.
[0021] Für die hier beschriebenen Versuche wurden Nickelelektrolyte unter Anwendung von Borsäure und Nickelsulfat und Nickelchlorid für das Watts- oder Nickelsulfamat für das Sulfamatbad hergestellt. Natriumdodecylsulfat (SDS) und Saccharin wurden als Zusatzmittel zum Nickelsulfamatelektrolyt, wenn erwähnt, zugesetzt. Diese elektrochemische Abscheidung ist schematisch in Fig. 1 gezeigt. For the experiments described here nickel electrolytes were prepared using boric acid and nickel sulfate and nickel chloride for the Watts- or nickel sulfamate for the sulfamate. Sodium dodecyl sulfate (SDS) and saccharin were added as additives to the nickel sulfamate electrolyte, if mentioned. This electrochemical deposition is shown schematically in FIG.
[0022] Die verwendete Nickelkonzentration ist im Vergleich mit herkömmlichen Watts- und Sulfamatbädern durch einen Faktor von 10 geteilt worden, um die Wachstumsrate von Nickelnanodrähten zu reduzieren; dadurch werden die Joule-Erhitzung und die Ohm’sche Abnahme der Barriereschicht beschränkt. Die besten Ergebnisse wurden mit Cl-freien Nickelsulfamatbädern mit Zusatzmitteln erreicht. The nickel concentration used has been divided by a factor of 10 as compared with conventional watt and sulfamate baths to reduce the growth rate of nickel nanowires; This restricts joule heating and the ohmic decrease of the barrier layer. The best results were achieved with Cl-free nickel sulfamate baths with additives.
[0023] Der potentiostatische Modus wurde aufgrund seiner hohen Selektivität und Stabilität auf bezüglich der Oberflächenbereichsentwicklung bevorzugt. Das optimale Abscheidungspotential kann je nach der Legierungszusammensetzung, den Badbedingungen und der Barriereschichtdicke stark variieren; daher muss es vor Durchführen der elektrochemischen Abscheidung durch elektroanalytische Techniken wie Voltammetrie bestimmt werden. The potentiostatic mode was preferred for surface area development because of its high selectivity and stability. The optimum deposition potential can vary widely depending on the alloy composition, the bath conditions and the barrier layer thickness; therefore, it must be determined prior to performing electrochemical deposition by electroanalytical techniques such as voltammetry.
[0024] Potentiostatische Umkehrpuls-Abscheidung [0024] Potentiostatic reverse pulse deposition
[0025] Während der elektrochemischen Abscheidung in einer elektrolytischen Zelle wurden die verwendeten Elektrolyte leicht gerührt und dadurch bei Temperaturen unterhalb oder gleich 45°C gehalten, um die Aluminiumoxidhydratisierung vollständig zu eliminieren. During electrochemical deposition in an electrolytic cell, the electrolytes used were gently stirred and thereby maintained at temperatures below or equal to 45 ° C to completely eliminate alumina hydration.
[0026] Nach Eintauchen des hergestellten Werkstücks 0 in das Watts-Bad oder Sulfamatbad wird die elektrochemische Abscheidung daraufhin durch potentiostatische Umkehrpuls-Abscheidung durchgeführt, die aus Zyklen aufeinanderfolgender Pulse besteht: einem kurzen kathodischen Puls bei der bestimmten optimalen Füllspannung für die kathodische Pulszeit Δt1 von mindestens 8 ms und bevorzugt weniger als 100 ms und einem darauffolgenden kurzen anodischen Puls bei einer anodischen Pulsspannung mit einer anodischen Pulszeit Δt2 von weniger als Δt1 und bevorzugt unter 20 ms. After immersing the manufactured workpiece 0 in the Watts bath or sulfamate bath, the electrochemical deposition is then carried out by potentiostatic reverse pulse deposition, which consists of cycles of successive pulses: a short cathodic pulse at the determined optimum filling voltage for the cathodic pulse time Δt1 of at least 8 ms, and preferably less than 100 ms and a subsequent short anodic pulse at an anodic pulse voltage having an anodic pulse time Δt2 of less than Δt1 and preferably less than 20 ms.
[0027] Eine optimale Pause mit Nullstrom auf die vorhergehenden beiden Pulse in der offenen Zelle, was das Entspannen der Diffusionsschicht gestattet, kann für eine Pausenzeit Δt3 von mehr als null Sekunden bis zu 10 Sekunden durchgeführt werden. Das Hinzufügen der Pause ist nicht zwingend, führt jedoch zu einem höheren Füllverhältnis des porösen Volumens durch das elektrochemisch abgeschiedene Material. An optimal pause with zero current on the previous two pulses in the open cell, which allows the relaxation of the diffusion layer, can be performed for a pause time Δt3 of more than zero seconds to 10 seconds. The addition of the pause is not mandatory, but results in a higher filling ratio of the porous volume through the electrochemically deposited material.
[0028] Die elektrochemische Abscheidung muss in Zyklen durchgeführt werden, bis drei Übergänge in der Stromübergangskurve beobachtet werden. In Fig. 2 sind diese drei Übergänge gezeigt, nämlich die Keimbildung und das Wachsen von Nanodrähten innerhalb der Nanoporen a), das Füllen der Nanoporen b) und die Bildung jeweils einer glatten homogenen Deckschicht c). The electrochemical deposition must be performed in cycles until three transitions in the current transfer curve are observed. In Fig. 2, these three transitions are shown, namely the nucleation and growth of nanowires within nanopores a), filling the nanopores b) and the formation of a smooth homogeneous cover layer c).
[0029] Die gesamte elektrochemische Abscheidung in Form von Zyklen potentiostatischer Umkehrpuls-Abscheidung kann in einigen wenigen Minuten bis mehreren Stunden mit Bezug auf die ausgewählte Pausenzeit Δt3 durchgeführt werden. The entire electrochemical deposition in the form of cycles of potentiostatic reverse pulse deposition can be performed in a few minutes to several hours with respect to the selected pause time .DELTA.t3.
[0030] Die Dauer eines Zyklus ist die Summe der kathodischen Pulszeit Δt1, anodischen Pulszeit Δt2 und jeweils der Pausezeit Δt3. Als Arbeitszyklus ist die kathodische Pulszeit Δt1, durch die Dauer eines Zyklus geteilt, zu verstehen. Messbestimmungen haben gezeigt, dass das Füllverhältnis mit niedrigen Arbeitszykluswerten steigt. Die höchsten Füllverhältnisse konnten mit kathodischen Pulszeiten Δt1 von 20 ms und geringen Arbeitszyklen von 2 %, wie in Tabelle 1 zu sehen ist, erreicht werden. <tb>7,5<SEP>–11<SEP>8<SEP>80<SEP>40 ± 10 <tb>7,5<SEP>–11<SEP>20<SEP>20<SEP>55 ± 20 <tb>7,5<SEP>–11<SEP>20<SEP>8<SEP>76 ± 17 <tb>7,5<SEP>–11<SEP>20<SEP>4<SEP>89 ± 20 <tb>7,5<SEP>–11<SEP>20<SEP>2<SEP>95 ± 17 <tb>7,5<SEP>–11<SEP>40<SEP>4<SEP>83 ± 16 <tb>7,5<SEP>–11<SEP>8<SEP>4<SEP>70 + 14The duration of a cycle is the sum of the cathodic pulse time .DELTA.t1, anodic pulse time .DELTA.t2 and each of the pause time .DELTA.t3. The duty cycle is the cathodic pulse time Δt1 divided by the duration of a cycle. Measurement determinations have shown that the filling ratio increases with low duty cycle values. The highest filling ratios could be achieved with cathodic pulse times Δt1 of 20 ms and low duty cycles of 2%, as can be seen in Table 1. <tb> 7.5 <SEP> -11 <SEP> 8 <SEP> 80 <SEP> 40 ± 10 <tb> 7.5 <SEP> -11 <SEP> 20 <SEP> 20 <SEP> 55 ± 20 <tb> 7.5 <SEP> -11 <SEP> 20 <SEP> 8 <SEP> 76 ± 17 <tb> 7.5 <SEP> -11 <SEP> 20 <SEP> 4 <SEP> 89 ± 20 <tb> 7.5 <SEP> -11 <SEP> 20 <SEP> 2 <SEP> 95 ± 17 <tb> 7.5 <SEP> -11 <SEP> 40 <SEP> 4 <SEP> 83 ± 16 <tb> 7.5 <SEP> -11 <SEP> 8 <SEP> 4 <SEP> 70 + 14
[0031] Tabelle 1: Einfluss der Pulsparameter auf das durch GD-OES geschätzte Füllverhältnis Table 1: Influence of pulse parameters on the filling ratio estimated by GD-OES
[0032] Die potentiostatische Umkehrpuls-Abscheidung wurde in einem wässrigen Elektrolyt durchgeführt, der mindestens ein Metallsalz, bevorzugt Nickelsalz, in einer Konzentration im Bereich von 10<-><3>bis 2 Mol/1, bevorzugt von 10<-2>bis 1 Mol/1 enthielt. The potentiostatic reversed pulse deposition was carried out in an aqueous electrolyte containing at least one metal salt, preferably nickel salt, in a concentration in the range of 10 <-> <3> to 2 mol / 1, preferably 10 <-2> 1 mol / 1 contained.
[0033] Bestimmung der optimalen Füllspannung durch Voltammetriestudie Determination of the optimum filling voltage by voltammetry study
[0034] Bevor die oben beschriebene elektrochemische Abscheidung durchgeführt wird, kann die optimale Füllspannung durch ein elektroanalytisches Verfahren, bevorzugt eine Voltammetriestudie oder zyklische Voltammetriestudie, bestimmt werden. Unabhängig vom Ursprung des Werkstücks 0, ob es selbst hergestellt ist oder nicht, kann die optimale Füllspannung nach Positionieren des Werkstücks 0 in die elektrolytische Zelle beispielsweise durch Bestimmen zyklischer Voltagramme bestimmt werden. Bei den Messbestimmungen wurde das Elektrodenpotential linear gegen die Zeit mit einer Scan-Rate von 1 V/s zwischen zwei festgelegten Potentialen von +/–20 Volt erhöht. Before performing the electrochemical deposition described above, the optimum fill voltage may be determined by an electroanalytical method, preferably a voltammetry or cyclic voltammetry study. Regardless of the origin of the workpiece 0, whether it is made by itself or not, the optimum filling voltage can be determined after positioning the workpiece 0 in the electrolytic cell, for example, by determining cyclic voltammograms. In the measurement determinations, the electrode potential was increased linearly against time at a scan rate of 1 V / sec between two fixed potentials of +/- 20 volts.
[0035] Ein Beispiel eines resultierenden zyklischen Voltagramms eines verdünnten Watts-Bads für eine Aluminiumoxidschicht 1, das mit einer Scanrate von 1 V/s aufgezeichnet worden ist, ist in Fig. 3a ) aufgeführt. Der kathodische Peak ist der elektrochemischen Nickelabscheidung zugeschrieben und das kathodische Peakpotential bleibt bei etwa –12,5 V für jeden Zyklus. An example of a resulting cyclic voltammogram of a diluted wetting bath for an alumina layer 1 recorded at a scan rate of 1 V / sec is shown in Fig. 3a). The cathodic peak is attributed to nickel electrochemical deposition and the cathodic peak potential remains at about -12.5V for each cycle.
[0036] Dieser breite Peak weist eine Schulter bei etwa –10V auf, die nur während des ersten Scan auftritt. Sie kann durch die Modifikation der Elektrodenoberfläche erklärt werden, da der Nickel, der auf die Barriereschicht elektrisch abgeschieden worden ist, während des Reverse-Scans nicht vollständig gelöst wird. Diese Schulter kann so mit einer kathodischen Nebenreaktion in Verbindung gebracht werden, die nur an der Aluminiumoxid/Elektrolytgrenzfläche auftritt. Ein voltammetrischer Scan ist dann in 0,73 M H3B03 durchgeführt worden, aber keine signifikante faradische Reaktion ist bei dem entsprechenden Potential beobachtet worden, was bedeutet, dass Nickelsalz in der Reaktion involviert ist. This broad peak has a shoulder at about -10V, which occurs only during the first scan. It can be explained by the modification of the electrode surface, since the nickel, which has been electrically deposited on the barrier layer, is not completely dissolved during the reverse scan. This shoulder can thus be associated with a cathodic side reaction that occurs only at the alumina / electrolyte interface. A voltammetric scan was then performed in 0.73M H3B03, but no significant faradic response was observed at the corresponding potential, which implies that nickel salt is involved in the reaction.
[0037] Je nach dem Ausdünnungspotential, mit dem die Aluminiumoxidschicht 1 im Barriereschicht-Ausdünnungsschritt II modifiziert worden ist, variiert das kathodische Peakpotential. Dies ist in Fig. 3a ) für Proben mit Ausdünnungspotentialen zwischen 2,5 V und 10 V gezeigt. Depending on the thinning potential with which the aluminum oxide layer 1 has been modified in the barrier layer thinning step II, the cathodic peak potential varies. This is shown in Fig. 3a) for samples with thinning potentials between 2.5V and 10V.
[0038] In Fig. 3c ) sind die Ergebnisse von zyklischen Voltammetriestudien von Oxidschichten 1 nach dem Ausdünnen mit einem Ausdünnungspotential von 5 V, nach Eintauchen in ein Sulfamatbad und ein Watts-Bad, gezeigt. Obwohl der Barriereschicht-Ausdünnungsschritt II identisch war, ist das kathodische Peakpotential beim Sulfamatbad etwas weniger negativ als bei dem Watts-Bad. In jedem Fall wird das bestimmte kathodische Peakpotential als optimales Füllpotential bei der potentiostatischen Umkehrpuls-Abscheidung verwendet. Figure 3c) shows the results of cyclic voltammetry studies of oxide layers 1 after thinning with a 5V thinning potential after immersion in a sulfamate bath and a Watts bath. Although the barrier layer thinning step II was identical, the cathodic peak potential of the sulfamate bath is slightly less negative than that of the Watts bath. In either case, the particular cathodic peak potential will be used as the optimal fill potential in potentiostatic reverse pulse deposition.
[0039] Tabelle 2 zeigt die kathodischen Peakpotentiale von Proben im Watts-Bad und Sulfamatbad im Vergleich mit verschiedenen verwendeten Ausdünnungspotentialen bei der Herstellung der Proben. <tb>10<SEP>–12, 5<SEP>–10, 5 <tb>7,5<SEP>–10, 8<SEP>–9,5 <tb>5<SEP>–8,5<SEP>–7,8 <tb>2, 5<SEP>–10<SEP>–8,3Table 2 shows the cathodic peak potentials of samples in the Watts bath and sulfamate bath as compared to various thinning potentials used in preparing the samples. <tb> 10 <SEP> -12, 5 <SEP> -10, 5 <tb> 7.5 <SEP> -10, 8 <SEP> -9.5 <Tb> 5 <September> -8.5 <September> -7.8 <tb> 2, 5 <SEP> -10 <SEP> -8,3
[0040] Tabelle 2: Liste von Peakpotentialen, die für das Watts- und das Sulfamatbad bestimmt worden sind, bei verschiedenen Barriereschichtdicken. Table 2: List of peak potentials determined for the watt and sulfamate baths at various barrier layer thicknesses.
[0041] Das kathodische Peakpotential, das vor der tatsächlichen potentiostatischen Umkehrpuls-Abscheidung gemessen wird, entspricht der Reduktion von Ni<2+>/Ni<0>und daher wird dieses kathodische Peakpotential später als optimales Füllpotential für die elektrochemische Abscheidung gewählt. The cathodic peak potential measured before the actual potentiostatic reverse pulse deposition corresponds to the reduction of Ni <2 +> / Ni <0>, and therefore, this cathodic peak potential is later selected as the optimum filling potential for the electrochemical deposition.
[0042] Bestimmung optimaler Füllspannung während des Barriereschicht-Ausdünnungsschritts Determining optimum fill voltage during the barrier layer thinning step
[0043] Die optimale Füllung kann während des Barriereschicht-Ausdünnungsschritts, wie später beschrieben, bestimmt werden. Je dicker die Barriereschicht, desto mehr Energie ist zum Tunellieren von Elektronen erforderlich, was zu einem negativeren Potentialwert führt. Jedoch hängt es auch von der Al-Zusammensetzung und den Elektrolytbedingungen ab. Das zuletzt verwendete Ausdünnungspotential führte zu dem optimalen Füllpotential, das im späteren elektrochemischen Abscheidungsschritt verwendet werden soll. The optimum filling may be determined during the barrier layer thinning step as described later. The thicker the barrier layer, the more energy is required to tune electrons, resulting in a more negative potential value. However, it also depends on the Al composition and the electrolyte conditions. The most recently used thinning potential resulted in the optimum fill potential to be used in the later electrochemical deposition step.
[0044] Es ist möglich, Proben zu verwenden, die durch Dritte hergestellt worden sind. Für jede Probe ist es notwendig, das ungefähre Potential für die elektrochemische Abscheidung vor dem Abscheidungsschritt zu bestimmen. It is possible to use samples made by third parties. For each sample, it is necessary to determine the approximate potential for the electrochemical deposition prior to the deposition step.
[0045] Eine andere Möglichkeit zum Bestimmen des optimalen Füllpotentials vor der potentiostatischen Umkehrpuls-Abscheidung kann durch Kennen des letzten Potentials erreicht werden, das während des Barriereschicht-Ausdünnungsschritts nach Bildung der Oxidschicht 1 aufgebracht wird. Another way of determining the optimal fill potential prior to potentiostatic reverse pulse deposition may be achieved by knowing the last potential applied during the barrier layer thinning step after formation of the oxide layer 1.
[0046] Wenn die Herstellung und noch spezifischer der Barriereschicht-Ausdünnungsschritt durch den Verwender durchgeführt worden sind, ist das letzte aufgebrachte Ausdünnungspotential bekannt. When the manufacture, and more specifically the barrier layer thinning step, has been performed by the user, the last applied thinning potential is known.
[0047] Wenn die Probe gekauft wurde, kann das Ausdünnungspotential vom Hersteller erfragt werden. If the sample was purchased, the thinning potential can be obtained from the manufacturer.
[0048] Mögliche Herstellung Possible production
[0049] Bei einem Herstellungsvorgang wird eine Bildung einer porösen anodischen Aluminiumoxidschicht 1, die geordnete Nanoporen umfasst, durch eine Mehrschrittanodisierung der Oberfläche des Werkstücks 0 durchgeführt. In a manufacturing process, formation of a porous anodic alumina layer 1 comprising ordered nanopores is performed by multi-step anodization of the surface of the workpiece 0.
[0050] Ein erster Anodisierungsschritt I ́ wird in einer ersten wässrigen Lösung bei Temperaturen zwischen –5°C und 30°C mehrere Stunden lang, bevorzugt 4 bis 8 Stunden lang, bei Spannungen zwischen 10 und 400 Volt Gleichstrom durchgeführt. Die erste wässrige Lösung enthält eine Säure unter, jedoch nicht darauf beschränkt, den folgenden: Schwefelsäure, Oxalsäure., Phosphorsäure, Weinsäure. Dieser erste Anodisierungsschritt I ́ führt zu einer haftenden porösen Oxidschicht 1. A first anodization step I is carried out in a first aqueous solution at temperatures between -5 ° C and 30 ° C for several hours, preferably for 4 to 8 hours, at voltages between 10 and 400 volts DC. The first aqueous solution contains an acid including, but not limited to, the following: sulfuric acid, oxalic acid, phosphoric acid, tartaric acid. This first anodization step I leads to an adhesive porous oxide layer 1.
[0051] Nach dem ersten Anodisierungsschritt I ́ wird die poröse Oxidschicht 1 daraufhin selektiv in einer zweiten wässrigen Lösung, die aus einer Mischung von Mineralsäure wie beispielsweise Phosphorsäure, Schwefelsäure und Chromsäure bestehen kann, bei Temperaturen gleich oder höher als die Raumtemperatur mindestens 5 Minuten lang gelöst. After the first anodizing step I, the porous oxide layer 1 is then selectively exposed in a second aqueous solution, which may be a mixture of mineral acid such as phosphoric acid, sulfuric acid and chromic acid, at temperatures equal to or higher than room temperature for at least 5 minutes solved.
[0052] Dieser Freilegschritt I ́ ́ führt zum Freilegen einer vorstrukturierten Aluminiumoberfläche, die aus Nanolöchern besteht, die als Wabenstruktur organisiert sind. Die ersten und zweiten wässrigen Lösungen sind eventuell verschieden. This exposure step I leads to the exposure of a prestructured aluminum surface, which consists of nanoholes, which are organized as a honeycomb structure. The first and second aqueous solutions may be different.
[0053] Nach dem Freilegschritt I ́ ́ und nachdem die Aluminiumoberfläche vorstrukturiert worden ist, wird das Werkstück 0 durch einen zweiten Anodisierungsschritt I ́ ́ ́ behandelt. Daher wird das Werkstück 0 in eine dritte wässrige Lösung eingegeben, die anders als oder aus praktischen Gründen identisch wie die erste wässrige Lösung sein kann. After the exposure step I and after the aluminum surface has been prestructured, the workpiece 0 is treated by a second anodizing step I. Therefore, the workpiece 0 is introduced into a third aqueous solution which, unlike or for practical reasons, may be identical to the first aqueous solution.
[0054] Im sauren Bad der dritten wässrigen Lösung wird ein zweiter Anodisierungsschritt I ́ ́ ́ mindestens 1 Minute lang bei Temperaturen zwischen –5°C und 30°C unter Anwendung einer Gleichstromspannung zwischen 10 und 400 Volt durchgeführt. In the acid bath of the third aqueous solution, a second anodization step I is carried out for at least 1 minute at temperatures between -5 ° C and 30 ° C using a DC voltage between 10 and 400 volts.
[0055] Am bevorzugtesten sind aus praktischen Gründen die dritte wässrige Lösung und die erste wässrige Lösung identisch und die Anodisierungstemperatur, Zeit und/oder Spannung des ersten Anodisierungsschritts I ́ und des zweiten Anodisierungsschritt I ́ ́ ́ sind ebenfalls identisch. Most preferably, for practical reasons, the third aqueous solution and the first aqueous solution are identical and the anodization temperature, time and / or voltage of the first anodization step I and the second anodization step I are also identical.
[0056] Nach dem zweiten Anodisierungsschritt I ́ ́ ́ wird eine geordnete poröse Oxidschicht mit einer Vielzahl von Nanoporen erreicht. After the second anodization step I, an ordered porous oxide layer having a plurality of nanopores is achieved.
[0057] Diese poröse Oxidschicht wächst auf einer Barriereoxidschicht, die während der ersten wenigen Sekunden der Anodisierung gebildet wird und ihre Dicke kann mit den elektrochemischen Bedingungen und noch spezifischer dem Anodisierungspotential korreliert werden. So kann diese dielektrische Schicht durch allmähliches Reduzieren der aufgebrachten Zellspannung dünner gemacht werden, wenn die poröse Schicht einmal die erwünschte Dicke erreicht hat. This porous oxide layer grows on a barrier oxide layer formed during the first few seconds of anodization and its thickness can be correlated with the electrochemical conditions and more specifically the anodization potential. Thus, by gradually reducing the applied cell voltage, this dielectric layer can be thinned once the porous layer has reached the desired thickness.
[0058] Auf den zweiten Anodisierungsschritt I ́ ́ ́ bei einer gleichbleibenden Gleichstromspannung hin werden der Barriereschicht-Ausdünnungsschritt II und der Barriereschicht-Homogenisierungsschritt III durchgeführt, wie in Fig. 5 gezeigt. Upon the second anodization step I at a constant DC voltage, the barrier layer thinning step II and the barrier layer homogenization step III are performed as shown in FIG.
[0059] Der Barriereschicht-Ausdünnungsschritt II wird durch Reduzieren der aufgebrachten Spannung von der Ausgangsanodisierungsspannung V zur letzten aufgebrachten Ausdünnungsspannung durchgeführt. Das Ausdünnungspotential ist geringer als das Anodisierungspotential und bevorzugt gleich oder niedriger als 10 V. Die Potentialreduktion kann kontinuierlich oder schrittweise mit einer linearen oder allmählichen Reduktion und bevorzugt mit einer schrittweisen exponentiellen Reduktion durchgeführt werden. The barrier layer thinning step II is performed by reducing the applied voltage from the output anodization voltage V to the last applied thinning voltage. The thinning potential is lower than the anodization potential and preferably equal to or lower than 10 V. The potential reduction may be performed continuously or stepwise with a linear or gradual reduction, and preferably with a stepwise exponential reduction.
[0060] Das Dünnermachen der Barriereschicht gestattet das Reduzieren ihrer Impedanz und erleichtert daher das Tunneln der Elektronen, die bei der elektrochemischen Metallabscheidung involviert sind. Thinning the barrier layer allows it to reduce its impedance and therefore facilitates the tunneling of the electrons involved in electrochemical metal deposition.
[0061] Nach der schrittenweisen Reduktion der Anodisierungsspannung wird der Barriereschicht-Homogenisierungsschritt III durch eine gleichbleibende Gleichstromspannung unter der Anodisierungsspannung des Anodisierungsschritts I ́ und I ́ ́ ́ bei dem Ausdünnungspotential durchgeführt. After the stepwise reduction of the anodization voltage, the barrier layer homogenization step III is performed by a constant DC voltage below the anodization voltage of the anodization steps I and I at the thinning potential.
[0062] Ausführungsform eines Herstellungsverfahrens Embodiment of a manufacturing method
[0063] Bei einem ersten Versuchsaufbau wurde der erste Anodisierungsschritt I ́ in 0,3 M Schwefelsäure bei 3°C 8 h lang bei 25 V durchgeführt. Das Ergebnis ist in Fig. 6a ) gezeigt. In a first experimental set-up, the first anodization step I was carried out in 0.3 M sulfuric acid at 3 ° C. for 8 hours at 25 V. The result is shown in Fig. 6a).
[0064] Nach dem ersten Anodisierungsschritt I ́ befand sich das Werkstück 0 im Freilegschritt I ́ ́, während dessen die anodische Oxidschicht selektiv in einer Mischung von 0,4 M H3PO4und 0,2 M H2CrO4bei 60°C eine Stunde lang gelöst wird. Fig. 6b ) zeigt die Oberfläche nach dem Freilegschritt I ́ ́. After the first anodizing step I, the workpiece 0 was in the exposure step I, during which the anodic oxide layer is selectively dissolved in a mixture of 0.4 M H3PO4 and 0.2 M H2CrO4 at 60 ° C for one hour. Fig. 6b) shows the surface after the exposure step I.
[0065] Der zweite Anodisierungsschritt I ́ ́ ́ wurde daraufhin durch Anodisieren im Gleichgewichtszustand bei 25 V unter genau denselben Bedingungen wie beim ersten Anodisierungsschritt I ́ jedoch nur 30 Minuten lang durchgeführt, was zu der geordneten porösen Schicht, die in Fig. 6c ) dargestellt ist, bevor der Barriereschicht-Ausdünnungsschritt II 20 Minuten lang folgt, führt. Die aufgebrachte Spannung wird exponentiell durch 60 Schritte von 20 Sekunden reduziert, bis sie den gewählten Potentialwert, der der angezielten Barriereschichtdicke entspricht, erreicht. Während dieser Stufe nimmt die durchschnittliche Stromdichte exponentiell ab. Bei jedem Potentialschritt beginnt die Stromdichte mit einem Mindestwert und steigt logarithmisch aufgrund der Bildung neuer Risse in der Barriereschicht an, was schliesslich das Wachstum neuer Generationen von Nanoporen mit kleineren Durchmessern induziert. The second anodization step I was then carried out by anodizing in an equilibrium state at 25 V under exactly the same conditions as in the first anodizing step I but for only 30 minutes, resulting in the ordered porous layer shown in Fig. 6c) is before the barrier layer thinning step II follows for 20 minutes. The applied voltage is exponentially reduced by 60 steps of 20 seconds until it reaches the selected potential value corresponding to the targeted barrier layer thickness. During this stage, the average current density decreases exponentially. At each potential step, the current density starts at a minimum value and increases logarithmically due to the formation of new cracks in the barrier layer, ultimately inducing the growth of new generations of smaller diameter nanopores.
[0066] Schliesslich wurde der Barriereschicht-Homogenisierungsschritt III durchgeführt, wobei das gewählte Ausdünnungspotential 600 s lang angelegt wird, um die Barriereschichtdicke zu homogenisieren. Gute Ergebnisse wurden durch Wählen eines Ausdünnungspotentials von 8 Volt erreicht. Ausdünnungspotentiale zwischen 5 V und 10 V wurden untersucht und führten zu ausreichenden Ergebnissen. Finally, the barrier layer homogenization step III was performed with the selected thinning potential applied for 600 seconds to homogenize the barrier layer thickness. Good results were achieved by choosing a thinning potential of 8 volts. Thinning potentials between 5 V and 10 V were investigated and led to sufficient results.
[0067] Ausführungsform des elektroschemischen Abscheideverfahrens Embodiment of the electrochemical deposition method
[0068] Gute Ergebnisse wurden durch die elektrochemische Abscheidung erreicht, die durch potentiostatische Umkehrpuls-Abscheidung in einem Nickelsulfamatbad, das 0,7 mM Natriumdodecylsulfat (SDS) und 10,9 mM Saccharin enthielt, bei 45°C durchgeführt wurde. Good results were achieved by the electrochemical deposition performed by potentiostatic reverse pulse deposition in a nickel sulfamate bath containing 0.7 mM sodium dodecyl sulfate (SDS) and 10.9 mM saccharin at 45 ° C.
[0069] Wie in Fig. 6d ) dargestellt, wurde gezeigt, dass eine sehr flache und glatte deckende Nickelbeschichtung durch Durchführen der elektrochemischen Abscheidung in einem Ausdünnten Sulfamatbad, das SDS und Saccharin als Zusatzmittel enthielt, erreicht werden konnte. As shown in Fig. 6d), it was demonstrated that a very flat and smooth opaque nickel coating could be achieved by performing electrochemical deposition in a thinned sulfamate bath containing SDS and saccharin as an additive.
[0070] Versuche: Experiments:
[0071] Alle elektrochemischen Versuche wurden in einer elektrochemischen Zelle mit zwei Elektroden unter Anwendung einer Platingegenelektrode und einem Autolab 302N-Potentiostat/Galvanostat, der mit einem Spannungsvervielfacher ausgestattet war, durchgeführt. Die Elektrolyttemperaturen wurden durch einen gekühlten/erhitzenden Julabo-Zirkulator F12-ED genau reguliert und mit einem Glasthermometer vor jedem Versuch überprüft. All electrochemical experiments were performed in a dual electrode electrochemical cell using a platinum counter electrode and an Autolab 302N potentiostat / galvanostat equipped with a voltage multiplier. The electrolyte temperatures were accurately controlled by a Julibo / cooled Julipo circulator F12-ED and checked with a glass thermometer before each experiment.
[0072] Mit einem Hitachi S-4800 FE-REM wurden hochaufgelöste REM-Bilder erhalten. High-resolution SEM images were obtained with a Hitachi S-4800 FE-SEM.
[0073] Nach der elektrochemischen Abscheidung kann eine weitere Metallendbearbeitung zugefügt werden, ist jedoch nicht notwendig. After electrochemical deposition, further metal finishing may be added, but is not necessary.
[0074] Die geeignete Spannung für das optimale Füllen der Poren und der hohen Qualität der Deckbeschichtung wurde durch eine zyklische Voltammetriestudie zum ersten Mal für reines Aluminium und die Aluminiumlegierung EN AW-5005 H24 bestimmt. Das Füllverhältnis der Nanoporen konnte durch Optimieren des Herstellungsverfahrens und des elektrochemischen Abscheidungsschritts erhöht werden. The appropriate stress for optimum filling of the pores and the high quality of the topcoat was determined by a cyclic voltammetry study for the first time for pure aluminum and the aluminum alloy EN AW-5005 H24. The filling ratio of the nanopores could be increased by optimizing the manufacturing process and the electrochemical deposition step.
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WO2022008439A1 (en) * | 2020-07-06 | 2022-01-13 | Syddansk Universitet | A method for manufacturing copper film on porous aluminum oxide (pao) on an aluminum alloy substrate |
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2014
- 2014-08-05 CH CH01187/14A patent/CH709962B1/en unknown
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WO2021219606A1 (en) * | 2020-04-27 | 2021-11-04 | RENA Technologies Austria GmbH | Method for producing micro- and nanostructures |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PFA | Name/firm changed |
Owner name: RERO AG, CH Free format text: FORMER OWNER: RERO AG, CH |