JP2002285382A - 陽極酸化ポーラスアルミナ及びその製造方法 - Google Patents
陽極酸化ポーラスアルミナ及びその製造方法Info
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Abstract
ーラスアルミナを提供する。 【解決手段】 一旦陽極酸化を行った後、地金Al層を
除去した酸化物層あるいはそれと同一の幾何学構造を有
する鋳型により、他のAl基板に前記鋳型の規則構造を
転写し、該転写部分を孔発生点として陽極酸化すること
により元の細孔周期の1/2に対応する細孔周期を有す
る陽極酸化ポーラスアルミナとするか、又は、一旦陽極
酸化を行った後、酸化物被膜層を除去したAl地金ある
いはそれと同一の幾何学構造を有する鋳型により、他の
Al基板に前記鋳型の規則構造を転写し、該転写部分を
孔発生点として陽極酸化することにより元の細孔周期の
1/√3に対応する細孔周期を有する陽極酸化ポーラス
アルミナとする。
Description
する陽極酸化ポーラスアルミナ及びその製造方法に関す
る。更に詳細には、本発明は陽極酸化ポーラスアルミナ
のフラクタル構造を利用した新規な規則的ポーラス構造
微細化プロセスに関する。
アルカリ性電解液中において陽極酸化することにより得
られる陽極酸化ポーラスアルミナは、膜面に垂直な均一
な細孔径を有する直行細孔を有することから、種々の機
能デバイスを作製する上での出発構造材料として利用さ
れている。
分野の典型例として、細孔内に磁性体を充填した磁気
記録媒体,半導体を充填した量子素子,金属を充填
した光学素子等が上げられる。このほか、陽極酸化アル
ミナを地金Alから剥離し、その後皮膜底部のバリア層
とよばれる孔が閉じた部分をエッチングにより除去する
ことにより貫通孔化し、分離用フィルターとすることが
できる。
の均一性に加え、細孔配列の規則性が重要となる。一例
として、陽極酸化ポーラスアルミナに磁性体を充填した
磁気記録媒体を例にとれば、細孔配列の規則性が媒体ノ
イズの低減に寄与することが知られている。加えて、陽
極酸化ポーラスアルミナにおける細孔配列の乱れは、細
孔径状の歪み、細孔径の不均一性をもたらすことから、
細孔配列の規則性はポーラスアルミナを分離用フィルタ
ーへ応用するに際しても重要となる。
則性は、作製条件に依存して変化することが知られてい
る。益田秀樹、“陽極酸化による規則性チャネル構造の
形成とその応用”、触媒、Vol.40、No.7、5
08頁〜514頁(1998)においては,適切な陽極
酸化条件で陽極酸化をおこなうことにより、細孔が規則
的に配列したポーラスアルミナな得られることが示され
ている。しかしながら、この方法により得られる規則配
列は、陽極酸化条件、とりわけ陽極酸化電圧に依存し、
25V以下の陽極酸化電圧で規則細孔配列が得られる条
件は明らかになっていない。陽極酸化アルミナの細孔間
隔は、陽極酸化電圧に比例することが知られており、比
例定数として、2.5nm/Vの値が知られている。従
って、規則配列の最小値は、63nm以下とすることは
困難である。このほか、この方法において規則配列を示
す領域は、数μm程度のドメイン構造を有し、規則的な
細孔配列は,この領域内に限定される。
は、陽極酸化条件の制御により自己組織化的に規則配列
を有する陽極酸化ポーラスアルミナ作製する手法のよう
に微細化の下限が問題とならなず、長大な製造時間を必
要としない、微細化細孔周期を有する陽極酸化ポーラス
アルミナ及びその新規な製造方法を提供することであ
る。
化を行った後、地金Al層を除去した酸化物層あるいは
それと同一の幾何学構造を有する鋳型により、他のAl
基板に前記鋳型の規則構造を転写し、該転写部分を孔発
生点として陽極酸化することにより元の細孔周期の1/
2に対応する細孔周期を有する陽極酸化ポーラスアルミ
ナとするか、又は、一旦陽極酸化を行った後、酸化物被
膜層を除去したAl地金あるいはそれと同一の幾何学構
造を有する鋳型により、他のAl基板に前記鋳型の規則
構造を転写し、該転写部分を孔発生点として陽極酸化す
ることにより元の細孔周期の1/√3に対応する細孔周
期を有する陽極酸化ポーラスアルミナとすることにより
解決される。
を有する陽極酸化ポーラスアルミナを得ることができ
る。
アルミナの製造方法の一例の模式図である。まず、ステ
ップ(A)において、アルミニウム地金1を準備する。
アルミニウム地金1の表面は予め電解研磨しておくこと
が好ましい。このアルミニウム地金を電解液中で陽極酸
化すると、アルミニウム基板表面に酸化被膜2が生成す
る。このとき形成される酸化被膜の厚みは印加電圧に比
例し、1Vあたり12〜13オングストローム(以下
「A」で示す)の膜厚を与える。中性の電解液を用いた
場合には、緻密で一定の厚さの酸化被膜が形成されるの
に対し、硫酸、シュウ酸などの酸性電解液中で陽極酸化
を行うと、陽極酸化時間に比例した膜厚を有する酸化被
膜が生成される。一定の厚みの酸化被膜が表面に生成し
た後、酸性電解液中では、酸の作用による溶解が生じ
る。一旦溶解が起こり、微小孔が発生すると、膜厚方向
の電場強度が増大し、被膜の溶解が加速される。並行し
て、溶解により厚みが減少した分、酸化被膜のAl地金
側への成長が進行する。
は優先的に酸化被膜の溶解、酸化層の成長が進行するこ
ととなる。このように局所的な酸化被膜の溶解・生成が
進行することにより、陽極酸化アルミナには“セル”3
と呼ばれる独特の構造が形成される。図示されているよ
うに、セルは局所的な被膜の溶解・成長の結果形成され
る円柱状の構造であり、細孔底部部分4(バリア層とよ
ばれる)で被膜の溶解・成長が同時進行する。バリヤ層
4の厚みは前記の定数(12〜13A/V)に従う。セ
ルサイズは、バリヤ層厚みのほぼ2倍に相当し、印加電
圧に比例して直線的に増加する。同時に各セルの中心に
位置する細孔5の間隔も電圧と比例関係を示す。酸化被
膜2が成長する過程でこのようなセル構造が生じ、これ
らがバランスして成長することで細孔5がほぼ等間隔に
配列した独特な構造が形成される。細孔5の規則性が生
じるのは、酸化被膜2の成長が定常状態になり、セル間
にバランスが生じた後である。この陽極酸化を適切な条
件で行うと、数μm以上の長距離にわたって、自己組織
化的に細孔が六方最密配列した高規則性ポーラス構造が
得られる。
規則性ポーラス構造が得られたら、その後、ステップ
(B)において、残った地金部分6を除去してアルミナ
モールド7を形成する。この地金部分は例えば、飽和昇
汞(塩化第1水銀)溶液などを使用することにより選択
的に溶解・除去することができる。その後、必要に応じ
て、アルミナモールド7の細孔5の孔径拡大処理(P.
W.)を行うこともできる。このような孔径拡大処理は
例えば、5wt%のリン酸水溶液に、例えば、30℃で所
定時間浸漬させることにより行われる。一例として、
「P.W.20」とは、5wt%のリン酸水溶液に30℃
で20分間浸漬させて孔径拡大処理したことを意味す
る。別法として、クロム・リン酸混合液などにより酸化
被膜層を選択的に溶解・除去して地金部分6を残し、こ
の地金部分6からネガタイプを作製し、次いで、このネ
ガタイプをベースにして、金属(例えば、Ni)材料に
よりポジタイプを作製し、これを押圧用モールド鋳型と
して使用することもできる。
うにして得られたアルミナモールド7を別のAl地金8
の表面に加圧しながら押し付け、モールド7の底部形状
をAl地金8の表面に転写する。押圧力は例えば、50
0〜3000kg/cm2、好ましくは1000〜20
00kg/cm2の範囲内である。押圧力が500kg
/cm2未満では、転写が不十分となり、陽極酸化の開
始点が得られない。一方、押圧力が3000kg/cm
2超では、モールドが破壊されてしまう危険性がある。
このAl地金8の表面も予め電解研磨しておくことが好
ましい。
化すると、押圧により形成された凹部からセル形成が開
始され、元のモールド7の細孔周期(r)の1/2に相
当する微細化された細孔周期を有する陽極酸化ポーラス
アルミナ9が得られる。
の製造方法の別の例の模式図である。ステップ(A)〜
ステップ(B)は前記図1について説明した方法と同一
である。図2の方法では、ステップ(C’)において、
アルミナモールド7の底部外面にNiめっき膜10を形
成する。Niは硬質なめっき膜を形成するので、後の引
き続く押圧プレス処理に好適である。その他の硬質めっ
き膜形成金属も同様に使用できる。めっき処理には、電
解めっき法、無電解めっき法など公知慣用のめっき方法
を適宜使用することができる。めっき膜10の膜厚は一
般的に、50ミクロン〜500ミクロンの範囲内であ
る。めっき膜10の膜厚が50ミクロン未満の場合、十
分な機械強度を有する押圧用モールドが得れない可能性
がある。一方、めっき膜10の膜厚が500ミクロン超
の場合、押圧用モールドとして必要な作用効果が飽和
し、不経済となるだけである。めっき膜10の膜厚は1
50ミクロン〜250ミクロンの範囲内であることが好
ましい。
ールド7を剥離する。この剥離は例えば、機械的な剥離
又はNaOHによりアルミナモールド7を選択的に溶解
除去することにより行われる。斯くして、押圧用のNi
モールド11が得られる。別法として、クロム・リン酸
混合液などにより酸化被膜層を選択的に溶解・除去して
地金部分6を残し、これを押圧用モールド11として直
接使用することもできる。
用のNiモールド11の凹凸面を別のAl地金8の表面
に加圧しながら押し付け、モールド11の凹凸形状をA
l地金8の表面に転写する。押圧力は例えば、500〜
3000kg/cm2、好ましくは1000〜2000
kg/cm2の範囲内である。押圧力が500kg/c
m2未満では、転写が不十分となり、陽極酸化の開始点
が得られない。一方、押圧力が3000kg/cm2超
では、モールドが破壊されてしまう危険性がある。この
Al地金8の表面も予め電解研磨しておくことが好まし
い。
化すると、押圧により形成された凹部からセル形成が開
始され、元の細孔周期(r)の1/√3に相当する微細
化された細孔周期を有する陽極酸化ポーラスアルミナ1
2が得られる。
酸化ポーラスアルミナ9の細孔周期が元のモールド7の
細孔周期(r)の1/2になることを示す模式図であ
る。図1に示された方法では、モールド7の底部の凸部
は六角形のセル3の辺の中間部に存在する。従って、A
l地金にこの形状が転写されると、この凸部は地金表面
に凹部を形成するので、この凹部がピットとなって細孔
形成が開始される。その結果、微細化(転写・陽極酸
化)により新たなセルが形成され、誘導された孔間の周
期はr/2となる。元に細孔位置に対応する位置には自
己修復された孔が形成される。
酸化ポーラスアルミナ12の細孔周期が元のモールド7
の細孔周期(r)の1/√3になることを示す模式図で
ある。図2に示された方法では、押圧用Niモールドの
突起部が六角形のセル3の角部に対応する。従って、A
l地金にこの形状が転写されると、この凸部は地金表面
に凹部を形成するので、この凹部がピットとなって細孔
形成が開始される。その結果、微細化(転写・陽極酸
化)により新たなセルが形成され、誘導された孔間の周
期はr/√3となる。元に細孔位置に対応する位置には
自己修復された孔が形成される。
することが可能である。従って、規則配列を維持したま
ま、順次微細化(1/(√3)n倍)を行うことが可能
であり、新規な微細構造を構築することができる。例え
ば、従来の陽極酸化法により得られた細孔周期66nm
のポーラスアルミナに対し、図2の方法を2回繰り返せ
ば、細孔周期22nmの陽極酸化ポーラスアルミナを得
ることができる。図2の方法を繰り返すことにより達成
できる細孔周期の下限値は15nm程度である。言うま
でもなく、図1の方法も反復的に繰り返し実施すること
が可能である。従って、規則配列を維持したまま、順次
微細化(1/(2)n倍)を行うことが可能であり、新
規な微細構造を構築することができる。更に、所望によ
り、図1の方法と図2の方法を組み合わせて併用するこ
ともできる。例えば、最初に図1の方法を実施し、その
後、図2の方法を実施するか、又はこの逆の順序で実施
することにより、新規な微細構造を構築することができ
る。
な分野に応用することができる。一例として、分離用フ
ィルタ(例えば、精密濾過膜、気体分離膜など)、光学
デバイス(例えば、大陽光選択吸収膜、偏光素子な
ど)、磁気デバイス(例えば、垂直磁気媒体、磁気エン
コーダなど)、その他(例えば、ガスセンサー、電極材
料など)に応用することができる。
る。実施例1 Al板を電解研磨法により電解研磨した後、0.3M硫
酸を用い、25Vで1時間陽極酸化を行い、周期60n
mのポーラスアルミナを作製した。この後、クロム・リ
ン酸混合液(クロム酸1.8wt%:リン酸6wt%)を用
い、酸化皮膜層を選択的に溶解・除去した。得られた規
則的な突起配列を有するAlを別の電解研磨を施したA
l板に圧力2000kg/cm2で押しつけた。窪み配
列が形成されたAl板を、14.4Vの化成電圧で、再
度陽極酸化することにより、孔周期30nmの規則配列
を有する陽極酸化ポーラスアルミナを得た。このとき、
形成されるドメインの大きさは、25Vで形成されたド
メインの大きさが保存されていた。
ウ酸を用い、40Vにおいて1時間陽極酸化を行なっ
た。この後、実施例1と同様の方法で、酸化皮膜層を除
去し、得られたAl地金を別の研磨したAl板に圧力1
000kg/cm2で押しつけた。その後、0.3M硫
酸を用い23Vで陽極酸化を行ない、周期28nmの規
則細孔配列を有する陽極酸化ポーラスアルミナ得た。
極酸化を実施し、周期63nmのポーラスアルミナを作
製した後,地金Alを飽和昇汞溶液を用い選択的に溶解
除去した。得られた酸化皮膜の底部(バリア層)側を、
別のAl地金に載せ、圧力1000kg/cm2で押し
つけた。その後、陽極酸化電圧を12.5Vとし、0.
3M硫酸中で陽極酸化を行なうことで細孔周期31nm
の規則細孔配列皮膜を得た。
68nm周期で規則配列を有する陽極酸化ポーラスアル
ミナを得た後、金属(Ni)により鋳型を作製した。N
i鋳型の形成は、白金・パラジウムを約10nmスパッ
タ蒸着した後、導通をとり、ワット浴を用いることでN
iを200ミクロンの厚さまでめっきすることにより得
た。得られた金属鋳型を、別の1000kg/cm2の
圧力でAl板に押しつけ、14.4Vの陽極酸化電圧で
陽極酸化することにより、細孔周期39nmの規則配列
を有する陽極酸化ポーラスアルミナを得た.
周期22nmの規則配列を有する陽極酸化ポーラスアル
ミナが得られた。
で陽極酸化を行ない、63nm周期のポーラスアルミナ
を作製した後、酸化皮膜を除去し、規則的な凹凸を有す
るAl地金を得た。これをもとに一旦、ポリマー(ポリ
メチルメタクリレート)を用いてネガタイプを作製し、
更に実施例4と同様の方法を用い、金属(Ni)による
ポジタイプを作製した。得られた金属鋳型を用い、別の
Al板に1000kg/cm2の圧力でプレスを行なっ
た。その後、0.3M硫酸中、14.5Vの陽極酸化電
圧で陽極酸化を行なうことにより、細孔周期35nmの
規則細孔配列を有する陽極酸化ポーラスアルミナを得
た.
配列を得た。その後、酸化皮膜を選択除去したのち、得
られたAl地金を再び第3のAl板に1000kg/c
m2の圧力で押しつけた。その後、0.3M硫酸を用
い、13.3Vの化成電圧で陽極酸化を行ない、33n
m周期の規則細孔配列を有する陽極酸化ポーラスアルミ
ナを得た。
を有する陽極酸化ポーラスアルミナを得た。その後、地
金Alを飽和昇汞溶液により溶解除去し、更に5wt%リ
ン酸を用いることにより、皮膜底部のバリア層を除去し
た。これをSi基板上に置き、マスクとして用い、硫化
カドミウムを真空蒸着法により蒸着し、その後、マスク
を除去することにより、マスクの細孔と同一のサイズの
硫化カドミウムからなる量子ドットを得た。
(孔径21nm)にCoを電解めっきした。Coめっき
浴は0.2モル/リットルの硫酸コバルトと0.2モル
/リットルの硼酸からなり、めっき用の電源には50H
z、20Vp− pを使用した。めっき後、表面を研磨
し、カーボン保護膜を10nmスパッタ法で成膜した。
その後、パーフルオロポリエーテル系潤滑剤であるFomb
lin-Z-DOL4000を1.5nm塗布した。得られたCoめ
っき陽極酸化磁性膜の記録再生特性をMRヘッドで評価
した。その結果、低域の出力の半分の出力となる線記録
密度D50は700kFCIであった。
孔(孔径63nm)にCoを実施例8と同様な方法で電
解めっきし、実施例8と同様に、得られたCoめっき陽
極酸化磁性膜の記録再生特性をMRヘッドで評価した。
その結果、低域の出力の半分の出力となる線記録密度D
50は700kFCI未満であった。
従来の方法に比較し、簡便、且つ微細で規則的な細孔配
列を有する陽極酸化ポーラスアルミナを得ることができ
る。
の一例の模式図である。
の別の例の模式図である。
アルミナ9の細孔周期が元のモールド7の細孔周期
(r)の1/2になることを示す模式図である。
アルミナ12の細孔周期が元のモールド7の細孔周期
(r)の1/√3になることを示す模式図である。
Claims (3)
- 【請求項1】 35nm以下の細孔周期を有することを
特徴とする陽極酸化ポーラスアルミナ。 - 【請求項2】 一旦陽極酸化を行った後、地金Al層を
除去した酸化物層あるいはそれと同一の幾何学構造を有
する鋳型により、他のAl基板に前記鋳型の規則構造を
転写し、該転写部分を孔発生点として陽極酸化すること
により元の細孔周期の1/2に対応する細孔周期を有す
る陽極酸化ポーラスアルミナを形成することを特徴とす
る陽極酸化ポーラスアルミナの製造方法。 - 【請求項3】 一旦陽極酸化を行った後、酸化物被膜層
を除去したAl地金あるいはそれと同一の幾何学構造を
有する鋳型により、他のAl基板に前記鋳型の規則構造
を転写し、該転写部分を孔発生点として陽極酸化するこ
とにより元の細孔周期の1/√3に対応する細孔周期を
有する陽極酸化ポーラスアルミナを形成することを特徴
とする陽極酸化ポーラスアルミナの製造方法。
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