RU2405621C2 - Method of producing membranes with regular nanopores from barrier-film metal oxides - Google Patents
Method of producing membranes with regular nanopores from barrier-film metal oxides Download PDFInfo
- Publication number
- RU2405621C2 RU2405621C2 RU2009105207/05A RU2009105207A RU2405621C2 RU 2405621 C2 RU2405621 C2 RU 2405621C2 RU 2009105207/05 A RU2009105207/05 A RU 2009105207/05A RU 2009105207 A RU2009105207 A RU 2009105207A RU 2405621 C2 RU2405621 C2 RU 2405621C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- film
- metal
- foil
- oxide
- carried out
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области изготовления мембран с регулярными нанопорами, применяемых в медицине, фармацевтике, биотехнологии, атомной промышленности, аналитической химии для микро-нанофильтрации, для очистки жидкостей и газов, в энергетике в производстве топливных элементов и других областях.The invention relates to the field of manufacturing membranes with regular nanopores used in medicine, pharmaceuticals, biotechnology, the nuclear industry, analytical chemistry for micro-nanofiltration, for cleaning liquids and gases, in the energy sector in the production of fuel cells and other fields.
Известно, что при определенных режимах анодирования вентильных металлов, в частности алюминия, в водных растворах электролитов на основе серной, щавелевой или ортофосфорных кислот на поверхности этих металлов могут быть получены анодные оксиды, состоящие из двух слоев: прилежащего к металлу сплошного тонкого слоя, называемого барьерным, и пористого внешнего сильно гидратированного слоя (Е.Е.Аверьянов Справочник по анодированию, Москва, «Машиностроение», 1988 г.).It is known that under certain anodizing conditions of valve metals, in particular aluminum, in aqueous solutions of electrolytes based on sulfuric, oxalic or phosphoric acids, anodic oxides consisting of two layers can be obtained on the surface of these metals: a continuous thin layer adjacent to the metal, called a barrier layer , and a porous external highly hydrated layer (EE Averyanov, Anodizing Handbook, Moscow, Mashinostroenie, 1988).
Известен способ получения пористого оксида путем двухступенчатого процесса анодирования алюминиевой пленки толщиной 20 мкм, напыленной на кремниевую подложку, включающий удаление первого слоя с помощью растворения в смеси жидких кислот HF и H3PO4. При этом была получена упорядоченная пористая структура окисла с диаметром нанопор 25 нм с расстоянием между ними 90 нм.A known method of producing porous oxide by a two-stage process of anodizing an aluminum film with a thickness of 20 μm deposited on a silicon substrate, comprising removing the first layer by dissolving in a mixture of liquid acids HF and H 3 PO 4 . An ordered porous oxide structure was obtained with a nanopore diameter of 25 nm with a distance of 90 nm between them.
Недостатком способа является невозможность получения наномембран без подложки, а также длительный цикл двухступенчатого анодирования.The disadvantage of this method is the inability to obtain nanomembranes without a substrate, as well as a long cycle of two-stage anodization.
Известен способ получения пористых наноматериалов, основанный на использовании электрохимического анодного окисления (патент Российской Федерации RU №2324015 C1 МПК С25D 11/06 (2006.01). Опубликован 10.05.2008. Бюл. №13).A known method of producing porous nanomaterials based on the use of electrochemical anodic oxidation (patent of the Russian Federation RU No. 224015 C1 IPC C25D 11/06 (2006.01). Published 05/10/2008. Bull. No. 13).
Недостатком этого способа является большая длительность технологического процесса и сложности при его реализации. Формируемый материал - пористый оксид получают в две стадии: вначале создается пористый оксид «жертвенный слой», который впоследствии удаляют, и затем формируют основной слой пористого оксида, при этом непрерывно изменяют температуру зоны реакции с изменением в ходе анодного окисления плотности электрического тока. Получаемый описанным способом пористый оксид расположен на подложке и не является свободной мембраной.The disadvantage of this method is the long duration of the process and the complexity of its implementation. The formed material - porous oxide is obtained in two stages: first, a “sacrificial layer” porous oxide is created, which is subsequently removed, and then the main layer of porous oxide is formed, while the temperature of the reaction zone is continuously changed with the change in electric current density during anodic oxidation. The porous oxide obtained by the described method is located on a substrate and is not a free membrane.
Наиболее близким заявляемому является способ получения пористых пленок анодного оксида алюминия в ортофосфорной кислоте с концентрацией 5-150 г/л при температурах 5-50°C и при непрерывном изменении напряжения на аноде от 40 до 200 B (патент США 4,859,288, 22.08.1989 г.).The closest to the claimed is a method for producing porous films of anodic aluminum oxide in phosphoric acid with a concentration of 5-150 g / l at temperatures of 5-50 ° C and with a continuous change in the voltage on the anode from 40 to 200 V (US patent 4,859,288, 08.22.1989 g .).
При этом были получены оксидные пленки толщиной 5-10 мкм с диаметром отверстий 100-500 нм. Недостатком способа является то, что при удалении сплошного слоя химическим травлением происходит одновременное увеличение диаметра пор и практически невозможно получение мембран с отверстиями менее 100 нм.In this case, oxide films of a thickness of 5-10 μm with a hole diameter of 100-500 nm were obtained. The disadvantage of this method is that when removing a continuous layer by chemical etching, a simultaneous increase in pore diameter occurs and it is almost impossible to obtain membranes with holes less than 100 nm.
Задачей заявляемого изобретения является получение свободных мембран (без подложки) с регулярными нанопорами диаметром от 10 до 100 нм из оксидов вентильных металлов и сокращение времени технологического процесса их изготовления.The objective of the invention is to obtain free membranes (without substrate) with regular nanopores with a diameter of 10 to 100 nm from valve metal oxides and reducing the time of the manufacturing process.
Поставленная цель достигается тем, что на тонкой фольге или пленке из вентильного металла (алюминий, титан, тантал, ниобий, магний, цирконий) методом одностороннего электрохимического анодирования формируют слой анодного оксида с гексагональной канализированной столбчатой структурой, а затем со стороны оставшегося металла пленку подвергают ионно-плазменному травлению до удаления оставшегося слоя металла, а также сплошного барьерного слоя оксида, закрывающих каналы, и образования в оксидной пленке сквозных наноотверстий, при этом анодирование осуществляют в потоке электролита, а ионно-плазменное травление осуществляют потоком плазмы ксенона или аргона или криптона с энергией ионов 300-400 эВ.This goal is achieved by the fact that on a thin foil or film of a valve metal (aluminum, titanium, tantalum, niobium, magnesium, zirconium), an anode oxide layer with a hexagonal channelized columnar structure is formed by unilateral electrochemical anodization, and then the film is exposed to the ion from the side of the remaining metal - plasma etching to remove the remaining metal layer, as well as a continuous oxide barrier layer that covers the channels, and the formation of through nanoholes in the oxide film, with the anode radiation is carried out in an electrolyte stream, and ion-plasma etching is carried out by a plasma stream of xenon or argon or krypton with an ion energy of 300-400 eV.
Пример осуществления способа.An example implementation of the method.
Поверхность фольги алюминия с чистотой 99,99% и толщиной 15 мкм очищали от загрязнений, разглаживали на полированном стекле путем прокатки стеклянной трубкой, полировали поверхность тампоном с полировочной пастой до появления зеркального блеска.The surface of aluminum foil with a purity of 99.99% and a thickness of 15 μm was cleaned of impurities, smoothed on polished glass by rolling with a glass tube, and the surface was polished with a swab with polishing paste until a mirror shine appeared.
После механической полировки фольгу очищали от загрязнений промывкой в ацетоне ЧДА, и последующим травлением в течение 5 мин в 3% растворе KOH.After mechanical polishing, the foil was cleaned of contaminants by washing in HDA acetone, and subsequent etching for 5 min in a 3% KOH solution.
После промывки фольги в дистиллированной воде и последующей сушке в потоке фильтрованного горячего воздуха производился контроль качества заготовки на наличие в ней микроотверстий и глубоких рисок. Контроль осуществлялся визуально и на металлографическом оптическом микроскопе при увеличениях до ×800.After washing the foil in distilled water and subsequent drying in a stream of filtered hot air, the quality of the workpiece was checked for the presence of micro-holes and deep holes in it. The control was carried out visually and on a metallographic optical microscope at magnifications up to × 800.
Предназначенные для анодирования образцы фольги помещали в специальную оправку, конструкция которой обеспечивала односторонний доступ электролита к центральной области фольги диаметром 8 мм. При изготовлении оправки использовались материалы, не взаимодействующие с электролитом - стекло, органическое стекло, пластик.The foil samples intended for anodizing were placed in a special mandrel, the design of which provided one-sided access of the electrolyte to the central region of the foil with a diameter of 8 mm. In the manufacture of the mandrel used materials that do not interact with the electrolyte - glass, organic glass, plastic.
В процессе анодирования использовался раствор щавелевой кислоты в дистиллированной воде с концентрацией 0,3 М. Одностороннее анодирование фольги производилось в потоке электролита в потенциометрическом режиме при напряжениях 20-60 B и температурах электролита 18-80°C.In the anodizing process, a solution of oxalic acid in distilled water with a concentration of 0.3 M was used. Unilateral anodization of the foil was carried out in the electrolyte stream in a potentiometric mode at voltages of 20-60 V and electrolyte temperatures of 18-80 ° C.
После операции анодирования, которая в зависимости от режима продолжалась по времени от 1,5 до 2,5 часов, фольга в оправке промывалась в проточной воде в течение 10 минут и далее в течение 1 минуты в потоке дистиллированной воды. После этого осуществляли сушку мембраны в оправке потоком фильтрованного горячего воздуха (40°C) в течение 5 минут. Для получения нанопористой мембраны на поверхности пленки с анодированным слоем со стороны, обратной направлению анодирования, проводилось удаление двух сплошных барьерных слоев и островков алюминия между ними методом ионно-плазменного травления в струе ионно-плазменного потока от стационарного плазменного E-H ускорителя, работающего на ксеноне.After the anodizing operation, which, depending on the mode, lasted from 1.5 to 2.5 hours, the foil in the mandrel was washed in running water for 10 minutes and then for 1 minute in a stream of distilled water. After that, the membrane was dried in a mandrel with a stream of filtered hot air (40 ° C) for 5 minutes. To obtain a nanoporous membrane on the surface of the film with the anodized layer on the side opposite to the anodization direction, two continuous barrier layers and aluminum islands between them were removed by ion-plasma etching in an ion-plasma stream from a stationary E-H plasma accelerator operating on xenon.
Операция анодирования производилась в лабораторной ячейке, схема которой показана на фиг.1.The anodization operation was carried out in a laboratory cell, a diagram of which is shown in figure 1.
Лабораторная ячейка анодирования состояла из внешней ванны 1 с дистиллированной водой, температура которой поддерживается с точностью ±2°C с помощью системы автоматического регулирования, включающую нагреватель 2, хромель-копелевую термопару 3 и электронный блок 4. Во внешнюю ванну помещали емкость с электролитом 5, в которой находилась анодируемая фольга в оправке 6, алюминиевый катод 7 и стеклянная трубка 8, через которую осуществляли циркуляцию электролита. Поток электролита на анодируемую фольгу создавался с помощью центробежного насоса 9 через фильтр 10. Напряжение на анод подавалось от стабилизированного источника питания 11 типа TEC 20.The anodizing laboratory cell consisted of an
В анодную цепь были последовательно включены цифровой миллиамперметр и сопротивление, падение напряжения, на котором подавалось на один из каналов аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 12 типа E-240 и далее вводилось в компьютер 13. Управление АЦП и непрерывная запись данных производилась с помощью программы "Power Graph".A digital milliammeter and resistance, a voltage drop, which was applied to one of the channels of the analog-to-digital converter (ADC) 12 of the E-240 type, and then entered into the computer 13, were sequentially connected to the anode circuit. The ADC was controlled and the data were recorded continuously using the program "Power Graph".
Регулярность структуры образующегося при анодировании пористого оксида и основные параметры структуры зависят от температуры в зоне его образования.The regularity of the structure of the porous oxide formed during anodization and the main parameters of the structure depend on the temperature in the zone of its formation.
Для поддержания постоянной температуры в зоне реакции осуществляли в направленный поток электролита на анодируемую поверхность. Поток электролита способствовал также удалению пузырьков газа с анодируемой поверхности.To maintain a constant temperature in the reaction zone, a directed electrolyte flow to the anodized surface was carried out. The electrolyte flow also contributed to the removal of gas bubbles from the anodized surface.
Использование циркуляции электролита позволяет получать регулярный нанопористый оксид в одну стадию, что упрощает технологический процесс и более чем в два раза сокращает время изготовления мембраны.The use of electrolyte circulation makes it possible to obtain regular nanoporous oxide in one stage, which simplifies the process and more than halves the time for manufacturing the membrane.
На фиг.2 показана зависимость анодного тока от времени при постоянном напряжении 40 B и температуре электролита 24°C. Приведенная зависимость имеет характерные области: начальный заброс тока, область стабилизации и область падения анодного тока, каждая из которых отражает соответствующие электрохимические процессы, происходящие при анодировании.Figure 2 shows the time dependence of the anode current at a constant voltage of 40 V and an electrolyte temperature of 24 ° C. The above dependence has characteristic regions: initial overflow of current, region of stabilization, and region of incidence of the anode current, each of which reflects the corresponding electrochemical processes that occur during anodization.
На первом этапе (заброс тока) происходит движение отрицательных ионов кислорода в растворе к аноду и их проникновение через сплошной защитный барьерный окисный слой, всегда существующий на поверхности алюминия. Одновременно происходит встречное движение положительно заряженных ионов Al+ через барьерный слой к катоду. В определенный момент времени наступает динамическое равновесие двух потоков и наступает продолжительная по времени область стабилизации, в которой над барьерным слоем происходит рост регулярного столбчатого нанопористого оксида алюминия. При этом барьерный слой вместе с образовавшимся пористым оксидом постоянно движется вниз относительно верхней начальной поверхности фольги и происходит увеличение шероховатости верхней поверхности образующегося пористого слоя. Процесс полного анодирования участка фольги заканчивается участком падения анодного тока, на котором с обратной стороны фольги находятся два сплошных барьерных слоя и электроизолированные участки алюминия, находящиеся между ними.At the first stage (current overflow), negative oxygen ions in the solution move to the anode and penetrate through the continuous protective oxide barrier layer, which always exists on the surface of aluminum. At the same time, there is a counter motion of positively charged Al + ions through the barrier layer to the cathode. At a certain point in time, a dynamic equilibrium of the two flows sets in and a stabilization region that is long over time sets in, in which a regular columnar nanoporous alumina grows above the barrier layer. In this case, the barrier layer together with the porous oxide formed constantly moves downward relative to the upper initial surface of the foil and the roughness of the upper surface of the resulting porous layer increases. The process of complete anodizing of the foil section ends with a drop section of the anode current, on which there are two continuous barrier layers and electrically insulated sections of aluminum located between them on the reverse side of the foil.
После извлечения мембраны из оправки производился визуальный контроль на наличие крупных дефектов и последующее исследование рабочей поверхности мембраны на просвечивающем оптическом микроскопе.After removing the membrane from the mandrel, a visual inspection was performed for the presence of large defects and a subsequent study of the working surface of the membrane using a transmission optical microscope.
Исследование параметров нанопористых мембран производилось на сканирующем электронном микроскопе EVO-40 фирмы ZEISS. Для снятия заряда на поверхность образцов производилось напыление аморфной углеродной пленки толщиной 15-20 нм.The study of the parameters of nanoporous membranes was carried out on a ZEISS EVO-40 scanning electron microscope. To remove the charge, an amorphous carbon film 15–20 nm thick was sprayed onto the surface of the samples.
На фиг.3 приведена фотография поверхности мембраны со стороны анодирования. На фотографии видны две зоны: исходная поверхность алюминия и пористый наноструктурированный оксидный слой.Figure 3 shows a photograph of the surface of the membrane from the anodizing side. Two zones are visible in the photograph: the initial surface of aluminum and the porous nanostructured oxide layer.
На фиг.4 показана мембрана со стороны, обратной направлению анодирования, после обработки потоком плазмы ксенона с энергией 400 эВ в течение 15 мин. На изображении указаны две зоны: подвергавшиеся и не подвергавшиеся плазменной обработке. Из чертежа видно, что обработка мембраны плазменным потоком приводит к удалению барьерных слоев и открытию нанопористой структуры.Figure 4 shows the membrane from the side opposite to the direction of anodization, after treatment with a plasma stream of xenon with an energy of 400 eV for 15 minutes The image shows two zones: subjected and not subjected to plasma treatment. It can be seen from the drawing that treating the membrane with a plasma stream removes the barrier layers and opens the nanoporous structure.
На фиг.5 приведено типичное изображение нанопористой мембраны, которое использовалось на этапе контроля качества конечного продукта и при определении его параметров.Figure 5 shows a typical image of a nanoporous membrane, which was used at the stage of quality control of the final product and in determining its parameters.
В результате реализации заявляемого способа были получены мембраны диаметром 8 мм, толщиной 8 мкм, имеющие регулярную гексагональную нанопористую структуру с диаметром отверстий 25-100 нм. Разброс отверстий по диаметрам составлял ~ 10%.As a result of the implementation of the proposed method were obtained membranes with a diameter of 8 mm, a thickness of 8 μm, having a regular hexagonal nanoporous structure with a hole diameter of 25-100 nm. The diameter spread of the holes was ~ 10%.
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009105207/05A RU2405621C2 (en) | 2009-02-17 | 2009-02-17 | Method of producing membranes with regular nanopores from barrier-film metal oxides |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009105207/05A RU2405621C2 (en) | 2009-02-17 | 2009-02-17 | Method of producing membranes with regular nanopores from barrier-film metal oxides |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2009105207A RU2009105207A (en) | 2010-08-27 |
RU2405621C2 true RU2405621C2 (en) | 2010-12-10 |
Family
ID=42798270
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2009105207/05A RU2405621C2 (en) | 2009-02-17 | 2009-02-17 | Method of producing membranes with regular nanopores from barrier-film metal oxides |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2405621C2 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2474466C1 (en) * | 2011-08-09 | 2013-02-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Дальневосточный федеральный университет" | Method of making aluminium oxide-based membranes |
RU2678055C2 (en) * | 2017-07-14 | 2019-01-22 | ООО "Нелан-оксид плюс" | Elastic alumina nano-membrane obtaining method |
-
2009
- 2009-02-17 RU RU2009105207/05A patent/RU2405621C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2474466C1 (en) * | 2011-08-09 | 2013-02-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Дальневосточный федеральный университет" | Method of making aluminium oxide-based membranes |
RU2678055C2 (en) * | 2017-07-14 | 2019-01-22 | ООО "Нелан-оксид плюс" | Elastic alumina nano-membrane obtaining method |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2009105207A (en) | 2010-08-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7838105B2 (en) | Microstructure and method of manufacturing the same | |
Leontiev et al. | Complex influence of temperature on oxalic acid anodizing of aluminium | |
EP1967616B1 (en) | Microstructure and method of manufacturing the same | |
Zhang et al. | Simulation of anodizing current-time curves and morphology evolution of TiO2 nanotubes anodized in electrolytes with different NH4F concentrations | |
KR101215536B1 (en) | apparatus for high-field fabrication of anodic nanostructures | |
KR101896266B1 (en) | Ionic diode membrane comprising tapered nanopore and method for preparing thereof | |
Lazarouk et al. | Effect of the electrolyte temperature on the formation and structure of porous anodic titania film | |
Li et al. | Self-organization process of aluminum oxide during hard anodization | |
RU2405621C2 (en) | Method of producing membranes with regular nanopores from barrier-film metal oxides | |
Zaraska et al. | Formation of nanoporous tin oxide layers on different substrates during anodic oxidation in oxalic acid electrolyte | |
KR101701314B1 (en) | Method for manufactiring anodic metal oxide nanoporous template | |
JPH0637291B2 (en) | Double-sided microporous alumina porous membrane and method for producing the same | |
Ha et al. | Fast fabrication of a high-aspectratio, self-ordered nanoporous alumina membrane by using high-field anodization | |
RU2324015C1 (en) | Process to manufacture porous anodic alumina | |
US4717455A (en) | Process for manufacturing a microfilter | |
JP4990737B2 (en) | Manufacturing method of fine structure | |
JP2008093652A (en) | Microstructure and its manufacturing method | |
Yanagishita et al. | TiO 2 hollow spheres with nanoporous structures fabricated by anodization of Ti particles | |
Lin et al. | Challenges to Fabricate Large Size-Controllable Submicron-Structured Anodic-Aluminum-Oxide Film | |
JP2005272886A (en) | Anodically oxidized porous alumina and manufacturing method therefor | |
WO2018105787A1 (en) | Ionic diode membrane containing tapered nano-pores and method for manufacturing same | |
Gujela et al. | Anodic aluminum oxide (AAO) nano membrane fabrication under different conditions | |
JP2009299188A5 (en) | ||
KR101172806B1 (en) | method for high-field fabrication of anodic nanostructures | |
Mikheev et al. | Nanostructured oxide membranes |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160218 |