RU2555366C2 - Method of obtaining anode aluminium oxide with highly ordered porous structure and method of forming arrays of anisotropic nanostructures on its base - Google Patents

Method of obtaining anode aluminium oxide with highly ordered porous structure and method of forming arrays of anisotropic nanostructures on its base Download PDF

Info

Publication number
RU2555366C2
RU2555366C2 RU2010133914/04A RU2010133914A RU2555366C2 RU 2555366 C2 RU2555366 C2 RU 2555366C2 RU 2010133914/04 A RU2010133914/04 A RU 2010133914/04A RU 2010133914 A RU2010133914 A RU 2010133914A RU 2555366 C2 RU2555366 C2 RU 2555366C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
nanostructures
porous
highly ordered
film
pores
Prior art date
Application number
RU2010133914/04A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2010133914A (en
Inventor
Кирилл Сергеевич Напольский
Андрей Анатольевич Елисеев
Илья Владимирович Росляков
Алексей Викторович Лукашин
Юрий Дмитриевич Третьяков
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова" (МГУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова" (МГУ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова" (МГУ)
Priority to RU2010133914/04A priority Critical patent/RU2555366C2/en
Publication of RU2010133914A publication Critical patent/RU2010133914A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2555366C2 publication Critical patent/RU2555366C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Secondary Cells (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)
  • Compounds Of Alkaline-Earth Elements, Aluminum Or Rare-Earth Metals (AREA)

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: invention relates to method of obtaining porous film with highly ordered system of pores, forming strict hexagonal grid, as well as to method of forming highly ordered arrays of anisotropic structures. Monocrystalline aluminium with crystallographic orientation A1 (111), A1(110) are used as initial material to realise method of obtaining porous film with highly ordered system of pores, forming strict hexagonal grid, by anode aluminium oxidation. Method of forming highly ordered arrays of anisotropic nanostructures is realised by electrochemical precipitation of introduced substance from respective solutions of electrolytes in channels of porous matrix. Porous film, obtained by said method, is used as matrix.
EFFECT: increased regularity and homogeneity of porous structure of anode aluminium oxide films, possibility to obtain highly ordered arrays of anisotropic nanostructures based on said films and to extend area of practical application of porous anode aluminium oxide films and based on it arrays of nanostructures.
19 cl, 1 tbl, 11 dwg, 4 ex

Description

Изобретение относится к области нанотехнологии, а именно к способу получения пленок анодного оксида алюминия с высокоупорядоченной системой пор, образующих строгую гексагональную решетку на площади более 1 см2, и массивов анизотропных наноструктур на их основе и может быть использовано для получения наноструктур с различными функциональными свойствами (магнитными, оптическими, каталитическими и др.) и создания на их основе калибровочных решеток для атомно-силовых микроскопов, магнитных устройств хранения информации и высокоразрешающих детекторов электромагнитного излучения.The invention relates to the field of nanotechnology, and in particular to a method for producing anodic alumina films with a highly ordered pore system forming a strict hexagonal lattice over an area of more than 1 cm 2 and arrays of anisotropic nanostructures based on them and can be used to obtain nanostructures with various functional properties ( magnetic, optical, catalytic, etc.) and the creation on their basis of calibration gratings for atomic force microscopes, magnetic information storage devices and high resolution of electromagnetic radiation detectors.

Технология анодного окисления металлов и использования оксидных пленок в качестве защитных и декоративных покрытий имеет долгую историю. Первый патент по использованию анодных покрытий для защиты алюминия и его сплавов от коррозии появился в 1923 году [British Patent 223994, 1923]. В 1995 году анодный оксид алюминия вновь привлек внимание исследователей, что связано с открытием возможности получения пленок с самоупорядоченной пористой структурой на большой площади после длительного анодного окисления [Masuda Η., Fukuda К., Science (1995), v. 268, pp. 1466-14682]. Данное открытие совершило прорыв в технологии получения пористых структур с очень узким распределением пор по размерам и высокими значениями геометрической анизотропии (более 1000).The technology of anodic oxidation of metals and the use of oxide films as protective and decorative coatings has a long history. The first patent on the use of anode coatings to protect aluminum and its alloys from corrosion appeared in 1923 [British Patent 223994, 1923]. In 1995, anodic alumina again attracted the attention of researchers, due to the discovery of the possibility of producing films with a self-ordered porous structure over a large area after prolonged anodic oxidation [Masuda Η., K. Fukuda, Science (1995), v. 268, pp. 1466-14682]. This discovery made a breakthrough in the technology of producing porous structures with a very narrow pore size distribution and high values of geometric anisotropy (more than 1000).

Идеальная структура пленок анодного оксида алюминия может быть представлена как система упорядоченных пор с плотнейшей гексагональной упаковкой. При этом поры располагаются перпендикулярно поверхности подложки, а их диаметр Dp, равно как и расстояние между соседними порами Dint, можно варьировать в широких пределах (Dp=3-250 нм; Dint=5-500 нм).The ideal structure of anodic alumina films can be represented as a system of ordered pores with dense hexagonal packing. In this case, the pores are located perpendicular to the surface of the substrate, and their diameter D p , as well as the distance between adjacent pores D int , can be varied over a wide range (D p = 3-250 nm; D int = 5-500 nm).

Исследования процесса анодного окисления алюминия показали, что упорядоченная структура пор формируется лишь при определенных условиях. Например, оксидные пленки с упорядоченной пористой структурой с расстоянием между соседними порами 65, 105 и 500 нм образуются при напряжении 25 В в серной кислоте, при 40 В - в щавелевой, и 195 В - в фосфорной [Nielsch К., Choi J., Schifrin К., Wehrspohn R. В., Gosele U., Nano Letters (2002), v. 2, pp. 677-680]. Следует подчеркнуть, что степень упорядоченности пористой структуры анодных пленок критична для их практического применения. Двумерные фотонные кристаллы, устройства хранения информации со сверхвысокой плотностью записи, субмикронные аналоги литографических решеток для калибровки сканирующих зондовых микроскопов, позиционно-чувствительные детекторы с рекордным разрешением - все это устройства, получение которых возможно лишь с применением пористых оксидных пленок с высокоупорядоченной структурой.Studies of the process of anodic oxidation of aluminum have shown that an ordered pore structure is formed only under certain conditions. For example, oxide films with an ordered porous structure with a distance between adjacent pores of 65, 105 and 500 nm are formed at a voltage of 25 V in sulfuric acid, at 40 V in oxalic acid, and 195 V in phosphoric [Nielsch K., Choi J., Schifrin K., Wehrspohn R. B., Gosele U., Nano Letters (2002), v. 2, pp. 677-680]. It should be emphasized that the degree of ordering of the porous structure of the anode films is critical for their practical application. Two-dimensional photonic crystals, storage devices with ultra-high recording density, submicron analogues of lithographic gratings for calibrating scanning probe microscopes, position-sensitive detectors with record resolution are all devices that can only be obtained using porous oxide films with a highly ordered structure.

В настоящее время пленки пористого оксида алюминия наибольшее применение нашли в качестве матриц для синтеза упорядоченных массивов анизотропных наноструктур различного состава.Currently, porous alumina films are most widely used as matrices for the synthesis of ordered arrays of anisotropic nanostructures of various compositions.

Создание практически бездефектных монодоменных структур возможно с использованием технологии "nanoimprint", заключающейся в предварительном нанесении на ровную поверхность алюминия небольших углублений, в которых и происходит образование пор при последующем окислении металла [Choi J., Nielsch К., Reiche Μ., Wehrspohn R.B., Gosele U., J. Vac. Sci. Technol. В (2003), v. 21, pp. 763-766]. Для получения таких углублений применяется специальный штамп с периодическими выступами, изготовленный с помощью рентгеновской или электронной литографии. Несмотря на то, что литографические технологии характеризуются низкой производительностью и высокой стоимостью, возможность многократного использования штампа делает данный метод в целом достаточно технологичным и экономичным.The creation of practically defect-free single-domain structures is possible using the "nanoimprint" technology, which consists in preliminary applying small depressions on a flat aluminum surface, in which pores are formed during subsequent metal oxidation [Choi J., K. Nielsch, Reiche Μ., Wehrspohn RB, Gosele U., J. Vac. Sci. Technol. In (2003), v. 21, pp. 763-766]. To obtain such recesses, a special stamp with periodic protrusions made using x-ray or electronic lithography is used. Despite the fact that lithographic technologies are characterized by low productivity and high cost, the possibility of repeated use of the stamp makes this method as a whole quite technological and economical.

Следует помнить, что расстояние между соседними порами зависит от напряжения (Dint=kU, где 2,0≤k (нм/В) ≤ 2,8). Анодное окисление алюминия с отпечатанными углублениями на поверхности проводят, соответственно, при напряжении U=Dint/k.It should be remembered that the distance between adjacent pores depends on the voltage (D int = kU, where 2.0≤k (nm / V) ≤ 2.8). Anodic oxidation of aluminum with printed recesses on the surface is carried out, respectively, at a voltage of U = D int / k.

Недостатками технологии «nanoimprint» являются:The disadvantages of the nanoimprint technology are:

1) невозможность создания упорядоченных структур с малым периодом (менее 200 нм), что в первую очередь связано с проблемами изготовления подходящего штампа даже с применением современных литографических технологий;1) the impossibility of creating ordered structures with a short period (less than 200 nm), which is primarily associated with the problems of manufacturing a suitable stamp even with the use of modern lithographic technologies;

2) нарушение упорядоченности пор по мере увеличения длины формирующихся каналов.2) violation of the ordering of pores as the length of the formed channels increases.

Отметим, что форма и ориентация пор в оксидной пленке полностью определяют размеры и взаимное расположение наноструктур, формируемых на их основе. Для синтеза одномерных наноструктур используют матрицы на основе мезопористого оксида кремния [US 7001669], пленок блоксополимеров [US 7190049], пористых пленок анодного оксида алюминия [US 6231744]. Недостатком предложенных методов является использование пористых матриц с недостаточно упорядоченной структурой, что исключает возможность получения высокоупорядоченных массивов анизотропных наноструктур.Note that the shape and orientation of the pores in the oxide film completely determine the size and relative position of the nanostructures formed on their basis. For the synthesis of one-dimensional nanostructures, matrices based on mesoporous silica [US 7001669], block copolymer films [US 7190049], porous films of anodic alumina [US 6231744] are used. The disadvantage of the proposed methods is the use of porous matrices with an insufficiently ordered structure, which excludes the possibility of obtaining highly ordered arrays of anisotropic nanostructures.

Известны несколько методов получения пористых анодных пленок оксида алюминия с упорядоченной структурой, например метод двухстадийного анодного окисления [Shingubara S., Journal of Nanoparticle Research (2003), v. 5, pp. 17-30].Several methods are known for producing porous anodic alumina films with an ordered structure, for example, the two-stage anodic oxidation method [Shingubara S., Journal of Nanoparticle Research (2003), v. 5, pp. 17-30].

Наиболее близким к заявленному способу получения пленки анодного оксида алюминия (прототипом) является метод "жесткого" анодного окисления - способ получения пленки анодного оксида алюминия с высокоупорядоченной системой пор, образующих строгую гексагональную решетку, по международной заявке WO 2008/014977 [Lee W., Ji R., Gosele U., Nielsch К., Nature Materials (2006), v. 5, pp. 741-747], включающий анодное окисление алюминия при высоких плотностях тока.Closest to the claimed method for producing an anodic alumina film (prototype) is the method of "hard" anodic oxidation - a method for producing anodic alumina film with a highly ordered pore system forming a strict hexagonal lattice, according to the international application WO 2008/014977 [Lee W., Ji R., Gosele U., Nielsch K., Nature Materials (2006), v. 5, pp. 741-747], including anodic oxidation of aluminum at high current densities.

Также из международной заявки WO 2008/014977 известен способ формирования высокоупорядоченного массива наноструктур путем электрохимического осаждения внедряемого вещества - металла или полупроводникового соединения из соответствующего раствора электролита в порах пористой матрицы - пленки анодного оксида алюминия.Also, from the international application WO 2008/014977, a method is known for forming a highly ordered array of nanostructures by electrochemical deposition of an introduced substance - a metal or a semiconductor compound from an appropriate electrolyte solution in the pores of a porous matrix - anodic alumina film.

При использовании данного метода удается получить пористые пленки анодного оксида алюминия с упорядоченным расположением каналов с периодом структуры от 65 до 500 нм. Недостатком данного метода является формирование полидоменной пористой структуры с малым размером (обычно менее 10 мкм в латеральном направлении) упорядоченных областей. Здесь и далее под "доменом" подразумевается область оксидной пленки, в пределах которой поры образуют строгую гексагональную упаковку. Кроме того, домены в оксидных пленках, получаемых путем самоорганизации, оказываются полностью разориентированы относительно друг друга. О взаимной ориентации упорядоченных областей судят по дифракционным картинам, зарегистрированным при нормальном падении зондирующего излучения на плоскость пленки, или по Фурье-образам с микрофотографий, полученных с большой области образца [Napolskii K.S., Roslyakov I.V., Eliseev А.А., Petukhov A.V., Byelov D.V., Grigoryeva N.A., Bouwman W.G., Lukashin A.V., Kvashnina K.O., Chumakov A.P., Grigoriev S.V., Journal of Applied Crystallography, (2010), v. 43, pp. 531-538.]. Отметим, что на малоугловых дифракционных картинах (или Фурье-образах микрофотографий) для образцов с системой разориентированных доменов наблюдаются концентрические кольца с однородным распределением интенсивности, в то время как для пористых пленок с высокоупорядоченной структурой - набор дифракционных максимумов с гексагональной симметрией.Using this method, it is possible to obtain porous films of anodic alumina with an ordered arrangement of channels with a structure period from 65 to 500 nm. The disadvantage of this method is the formation of a multidomain porous structure with a small size (usually less than 10 microns in the lateral direction) of ordered regions. Hereinafter, by “domain” is meant the region of the oxide film within which the pores form a strict hexagonal packing. In addition, the domains in the oxide films obtained by self-organization are completely misoriented relative to each other. The mutual orientation of the ordered regions is judged by the diffraction patterns recorded during normal incidence of the probe radiation on the film plane, or by Fourier images from microphotographs obtained from a large region of the sample [Napolskii KS, Roslyakov IV, Eliseev A.A., Petukhov AV, Byelov DV, Grigoryeva NA, Bouwman WG, Lukashin AV, Kvashnina KO, Chumakov AP, Grigoriev SV, Journal of Applied Crystallography, (2010), v. 43, pp. 531-538.]. Note that in small-angle diffraction patterns (or Fourier images of microphotographs), concentric rings with a uniform intensity distribution are observed for samples with a system of misoriented domains, while for porous films with a highly ordered structure, a set of diffraction peaks with hexagonal symmetry is observed.

В связи с вышесказанным разработка методов получения пленок анодного оксида алюминия с высокоупорядоченной пористой структурой (монодоменной или полидоменной с малой мозаичностью) с периодичностью менее 200 нм, а также развитие способов формирования анизотропных наноструктур на их основе является важной задачей современной науки и техники.In connection with the foregoing, the development of methods for producing films of anodic alumina with a highly ordered porous structure (single-domain or multi-domain with low mosaicity) with a frequency of less than 200 nm, as well as the development of methods for the formation of anisotropic nanostructures based on them is an important task of modern science and technology.

Задача предлагаемого изобретения заключается в разработке способа получения пленок на основе анодного оксида алюминия с высокоупорядоченной системой пор, образующих строгую гексагональную решетку на площади более 1 см, получаемых без привлечения приемов литографии, а также способа формирования высокоупорядоченных массивов анизотропных наноструктур различного функционального назначения.The objective of the invention is to develop a method for producing films based on anodic alumina with a highly ordered pore system forming a strict hexagonal lattice over an area of more than 1 cm, obtained without using lithography techniques, as well as a method for forming highly ordered arrays of anisotropic nanostructures for various functional purposes.

Технический результат изобретения заключается в возможности получения пленок анодного оксида алюминия с высокоупорядоченной структурой (стандартное отклонение средней ориентации системы пор в различных точках пористой пленки менее 3°) на большой площади (не менее 1 см), с малой дисперсией расстояний между порами (менее 5%) и малой дисперсией пор по размеру (менее 15%), а также в возможности получения высокоупорядоченных массивов анизотропных наноструктур на основе указанных пленок, обладающих соответствующей организацией наноструктур в пористой матрице, и расширении области практического применения пористых пленок анодного оксида алюминия и массивов наноструктур на их основе (например, в качестве двумерных фотонных кристаллов, устройств хранения информации со сверхвысокой плотностью записи, субмикронных аналогов литографических решеток для калибровки сканирующих зондовых микроскопов, позиционно-чувствительных детекторов с рекордным разрешением).The technical result of the invention lies in the possibility of obtaining films of anodic alumina with a highly ordered structure (standard deviation of the average orientation of the pore system at various points of the porous film is less than 3 °) over a large area (at least 1 cm), with a small dispersion of the distance between the pores (less than 5% ) and a small dispersion of pores in size (less than 15%), as well as the possibility of obtaining highly ordered arrays of anisotropic nanostructures based on these films with the corresponding organization of nanostructures in porous matrix, and expanding the range of practical applications of porous films of anodic alumina and arrays of nanostructures based on them (for example, as two-dimensional photonic crystals, storage devices with ultra-high recording density, submicron analogs of lithographic gratings for calibrating scanning probe microscopes, position-sensitive detectors with record resolution).

Для достижения указанного результата в способе получения пленки анодного оксида алюминия с высокоупорядоченной системой пор, образующих строгую гексагональную решетку, используют высокочистый (более 99,99%) монокристаллический алюминий с ориентацией (111). Для улучшения упорядоченности структуры анодированию подвергают алюминиевые подложки с гладкой или периодически-шероховатой поверхностью.To achieve this result, in the method for producing an anodic alumina film with a highly ordered system of pores forming a strict hexagonal lattice, high-purity (more than 99.99%) single-crystal aluminum with (111) orientation is used. To improve the ordering of the structure, aluminum substrates with a smooth or periodically rough surface are anodized.

Анодное окисление алюминия осуществляют в водном или водно-спиртовом растворе кислоты.Anodic oxidation of aluminum is carried out in an aqueous or aqueous-alcoholic acid solution.

Формируемые оксидные пленки характеризуются стандартным отклонением средней ориентации системы пор в различных точках пористой пленки, не превышающим 3°.The formed oxide films are characterized by a standard deviation of the average orientation of the pore system at various points of the porous film, not exceeding 3 °.

Толщина пленки анодного оксида алюминия составляет от 500 нм до 300 мкм.The film thickness of the anodic alumina is from 500 nm to 300 μm.

Диаметр каналов в пленке анодного оксида алюминия составляет от 5 нм до 300 нм.The diameter of the channels in the film of anodic alumina is from 5 nm to 300 nm.

Дисперсия пор по размеру составляет менее 15%.The dispersion of pores in size is less than 15%.

Период пористой структуры пленки анодного оксида алюминия составляет от 10 нм до 500 нм.The period of the porous structure of the film of anodic alumina is from 10 nm to 500 nm.

Дисперсия расстояний между соседними порами составляет менее 5%.The dispersion of the distances between adjacent pores is less than 5%.

Указанный технический результат достигается также тем, что для контролируемого увеличения диаметра пор осуществляют дополнительное химическое травление пленки анодного оксида алюминия в разбавленном растворе кислоты при температуре 20÷90°C.The specified technical result is also achieved by the fact that for a controlled increase in pore diameter, additional chemical etching of the film of anodic aluminum oxide in a dilute acid solution is carried out at a temperature of 20 ÷ 90 ° C.

Указанный технический результат для способа формирования высокоупорядоченных массивов анизотропных наноструктур достигается тем, что в качестве матрицы используют пористую пленку анодного оксида алюминия с высокоупорядоченной системой пор, полученную вышеуказанным способом, а формирование высокоупорядоченных массивов анизотропных наноструктур проводят методом электрохимического осаждения внедряемого вещества из соответствующих растворов электролитов.The indicated technical result for the method of forming highly ordered arrays of anisotropic nanostructures is achieved by the fact that a porous film of anodic alumina with a highly ordered pore system obtained by the above method is used as a matrix, and the formation of highly ordered arrays of anisotropic nanostructures is carried out by the method of electrochemical deposition of the introduced substance from the corresponding electrolyte solutions.

Степень заполнения пор внедряемым веществом превышает 80%. Фактор геометрической анизотропии наноструктур составляет до 100000.The degree of filling of the pores with the introduced substance exceeds 80%. The geometric anisotropy factor of nanostructures is up to 100,000.

Диаметр анизотропных наноструктур составляет от 5 нм до 300 нм. Дисперсия анизотропных наноструктур по размеру составляет менее 15%.The diameter of anisotropic nanostructures is from 5 nm to 300 nm. The dispersion of anisotropic nanostructures in size is less than 15%.

Расстояние между соседними наноструктурами в их массиве составляет от 10 нм до 500 нм.The distance between adjacent nanostructures in their array is from 10 nm to 500 nm.

Дисперсия расстояний между соседними наноструктурами составляет менее 5%.The dispersion of the distances between adjacent nanostructures is less than 5%.

Стандартное отклонение средней ориентации системы наноструктур в различных точках массива не превышает 3°.The standard deviation of the average orientation of the system of nanostructures at various points in the array does not exceed 3 °.

Сущность изобретения иллюстрируется следующими чертежами.The invention is illustrated by the following drawings.

Фиг. 1. Схема получения пленок анодного оксида алюминия с высокоупорядоченной системой пор, образующих строгую гексагональную решетку на площади более 1 см2, и массивов анизотропных наноструктур на их основе.FIG. 1. Scheme for the production of anodic alumina films with a highly ordered pore system forming a strict hexagonal lattice over an area of more than 1 cm 2 and arrays of anisotropic nanostructures based on them.

Фиг. 2. Данные малоугловой дифракции рентгеновского излучения для пленки оксида алюминия с высокоупорядоченной пористой структурой, полученной на Α1 (111) в 0,3 Μ щавелевой кислоте при 40 В.FIG. 2. Small-angle X-ray diffraction data for an alumina film with a highly ordered porous structure obtained on Α1 (111) in 0.3 Μ oxalic acid at 40 V.

Фиг. 3. Микрофотография нижней поверхности пористой пленки оксида алюминия, полученной анодным окислением высокочистого алюминия с ориентацией (111) в 0,3 Μ (СООН)2 при 40 В (А). Схематическое изображение взаимной ориентации системы пор в оксидной пленке и кристаллической структуры металлической подложки с ориентацией (111) (Б).FIG. 3. Micrograph of the lower surface of the porous alumina film obtained by anodic oxidation of high-purity aluminum with an orientation of (111) of 0.3 Μ (COOH) 2 at 40 V (A). Schematic representation of the mutual orientation of the pore system in the oxide film and the crystal structure of the metal substrate with the (111) (B) orientation.

Фиг. 4. Микрофотография нижней поверхности пористой пленки оксида алюминия, полученной анодным окислением высокочистого монокристаллического алюминия с гладкой поверхностью (А) и с периодически-шероховатой поверхностью (Б) в 0,3 Μ (СООН)2 при 40 В в течение 24 часов. Период шероховатости на поверхности исходного алюминия совпадает с периодом пористой структуры и равен 105 нм.FIG. 4. Micrograph of the lower surface of the porous alumina film obtained by anodic oxidation of high-purity single-crystal aluminum with a smooth surface (A) and a periodically rough surface (B) of 0.3 Μ (COOH) 2 at 40 V for 24 hours. The period of roughness on the surface of the starting aluminum coincides with the period of the porous structure and is equal to 105 nm.

Фиг. 5. Микрофотография поперечного скола нанокомпозита Со_Аl2О3, содержащего нитевидные наноструктуры кобальта в пористой матрице анодного оксида алюминия. Оксидная пленка получена при анодном окислении монокристалла алюминия в 0,3 Μ водном растворе щавелевой кислоты при 40 В (А). Микрофотография нитевидных наноструктур Со после растворения матрицы (Б).FIG. 5. Micrograph of the transverse cleavage of the Co_Al 2 O 3 nanocomposite containing filamentous cobalt nanostructures in the porous matrix of anodic alumina. An oxide film was obtained by anodic oxidation of an aluminum single crystal in 0.3 Μ an aqueous solution of oxalic acid at 40 V (A). Micrograph of filamentous Co nanostructures after dissolution of matrix (B).

Фиг. 6. Данные растровой электронной микроскопии для поперечного скола нанокомпозита Ni1-xCux/Cu_Al2O3, содержащего слоистые нитевидные наноструктуры в пористой матрице анодного оксида алюминия. Оксидная пленка получена при анодном окислении монокристалла алюминия с ориентацией (111) в 0,3 Μ водном растворе щавелевой кислоты при 40 В. Микрофотографии слоистых нитевидных наноструктур Ni1-xCux/Cu после растворения матрицы (Б, В).FIG. 6. Scanning electron microscopy data for the transverse cleavage of the Ni 1-x Cu x / Cu_Al 2 O 3 nanocomposite containing layered whisker nanostructures in the porous matrix of anodic alumina. An oxide film was obtained by anodic oxidation of an aluminum single crystal with a (111) orientation in a 0.3 Μ aqueous solution of oxalic acid at 40 V. Microphotographs of layered filamentous Ni 1-x Cu x / Cu nanostructures after dissolution of the matrix (B, C).

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.The proposed method is as follows.

Пленки оксида алюминия с высокоупорядоченной пористой структурой, выступающие в дальнейшем в качестве матриц для получения массива анизотропных наноструктур различного функционального назначения получают методом анодного окисления алюминия (Фиг. 1). В качестве заготовки (исходного материала) используют пластины толщиной не менее 0,1 мм высокочистого (содержание А1 не менее 99,99%) монокристаллического (разориентация блоков не более 3°) алюминия. Используют монокристалл алюминия с известной кристаллографической ориентацией (оптимальна (111), также подходят (110) и грани более низкой симметрии, нежелательно использование А1 (100)). Возможно также применение поликристаллов с большим размером зерен металла. В этом случае предлагаемый подход справедлив при использовании оксидной пленки, сформированной на единичном зерне. Перед анодным окислением поверхность металла подвергают механической и/или электрохимической полировке (класс шероховатости не ниже 12).Films of aluminum oxide with a highly ordered porous structure, which subsequently act as matrices for obtaining an array of anisotropic nanostructures of various functional purposes, are obtained by the method of anodic oxidation of aluminum (Fig. 1). As a billet (source material), plates with a thickness of at least 0.1 mm high-purity (A1 content of at least 99.99%) single-crystal (misorientation of blocks no more than 3 °) aluminum are used. A single crystal of aluminum with a known crystallographic orientation is used (optimal (111), (110) and faces of lower symmetry are also suitable, A1 (100) is undesirable). It is also possible to use polycrystals with a large grain size of the metal. In this case, the proposed approach is valid when using an oxide film formed on a single grain. Before anodic oxidation, the metal surface is subjected to mechanical and / or electrochemical polishing (roughness class not lower than 12).

В качестве электролитов при анодном окислении используют водные растворы кислот, слабо растворяющие оксид алюминия (например, растворы щавелевой Н2С2О4, фосфорной Н3РО4, серной H2SO4, янтарной C4H6O4, лимонной СбН8O7 кислот). Концентрация электролита варьируется от 0,05 до 0,5 моль/литр. Возможно применение добавок, приводящих к понижению температуры замерзания электролита, таких как этанол, этиленгликоль и др. Анодное окисление проводят при температуре от -20÷10°C и напряжении в диапазоне от 5 до 250 В. Толщина полученной пленки оксида алюминия может варьироваться от 0,1 до 200 мкм в зависимости от режима анодного окисления и его продолжительности. Диаметр пор (от 5 до 300 нм) и расстояние между соседними каналами (от 20 до 600 нм) в оксидной пленке зависит от режима анодного окисления.As anodic oxidation electrolytes are used aqueous solutions of acids that slightly dissolve alumina (for example, solutions of oxalic Н 2 С 2 О 4 , phosphoric Н 3 РО 4 , sulfuric Н 2 SO 4 , succinic C 4 H 6 O 4 , citric С b H 8 O 7 acids). The electrolyte concentration varies from 0.05 to 0.5 mol / liter. It is possible to use additives leading to lowering the freezing temperature of the electrolyte, such as ethanol, ethylene glycol, etc. Anodic oxidation is carried out at a temperature of -20 ÷ 10 ° C and a voltage in the range from 5 to 250 V. The thickness of the obtained aluminum oxide film can vary from 0 , 1 to 200 microns, depending on the mode of anodic oxidation and its duration. The pore diameter (from 5 to 300 nm) and the distance between adjacent channels (from 20 to 600 nm) in the oxide film depends on the anodic oxidation mode.

В случае использования алюминия с гладкой поверхностью для формирования оксидной пленки с высокоупорядоченной структурой анодное окисление проводят в два этапа. После первого цикла анодного окисления (Фиг. 1, стадия 2) образовавшуюся на поверхности А1 оксидную пленку селективно растворяют (Фиг. 1, стадия 3). Затем проводят второй цикл анодного окисления в тех же условиях (Фиг. 1, стадия 4). Продолжительность второго анодного окисления выбирают с учетом необходимой толщины оксидной пленки.In the case of using aluminum with a smooth surface to form an oxide film with a highly ordered structure, anodic oxidation is carried out in two stages. After the first cycle of anodic oxidation (Fig. 1, stage 2), the oxide film formed on the surface A1 is selectively dissolved (Fig. 1, stage 3). Then spend the second cycle of anodic oxidation in the same conditions (Fig. 1, stage 4). The duration of the second anodic oxidation is selected taking into account the required thickness of the oxide film.

В случае использования подложек с периодически-шероховатой поверхностью, которую создают путем анодирования и удаления оксидной пленки или путем механического воздействия на гладкую поверхность алюминия, стадии 1-3 (Фиг. 1) исключают из технологического процесса.In the case of using substrates with a periodically rough surface, which is created by anodizing and removing the oxide film or by mechanical action on the smooth surface of aluminum, stages 1-3 (Fig. 1) are excluded from the process.

В результате получают пористую пленку оксида алюминия, в которой все домены на большой площади ориентированы вдоль выделенного направления (Фиг. 2), заданного кристаллографической ориентацией подложки (Фиг. 3).The result is a porous alumina film in which all domains over a large area are oriented along the selected direction (Fig. 2) defined by the crystallographic orientation of the substrate (Fig. 3).

Для отделения оксидной пленки от алюминиевой подложки проводят селективное растворение непрореагировавшего металла (Фиг. 1, стадия 5). Для получения материала со сквозными порами проводят химическое травление оксидных пленок в разбавленных растворах кислот при температуре 20÷90°C (Фиг. 1, стадия 6). При необходимости диаметр пор может быть увеличен путем химического травления оксидной пленки в использованном растворе электролита или разбавленных растворах кислот при температуре 20÷90°C в течение 5÷600 минут (Фиг. 1, стадия 7). Затем пленки промывают и высушивают на воздухе.To separate the oxide film from the aluminum substrate, selective dissolution of the unreacted metal is carried out (Fig. 1, stage 5). To obtain a material with through pores, chemical etching of oxide films in dilute acid solutions is carried out at a temperature of 20 ÷ 90 ° C (Fig. 1, stage 6). If necessary, the pore diameter can be increased by chemical etching of the oxide film in the used electrolyte solution or dilute acid solutions at a temperature of 20 ÷ 90 ° C for 5 ÷ 600 minutes (Fig. 1, stage 7). Then the film is washed and dried in air.

Полученная тонкая керамическая пористая пленка может быть подвергнута высокотемпературному отжигу (до 1200°C) для увеличения механической прочности и химической стабильности в кислых и щелочных растворах электролитов, применяемых в дальнейшем для осаждения наноструктур в каналах пористой матрицы.The resulting thin ceramic porous film can be subjected to high-temperature annealing (up to 1200 ° C) to increase the mechanical strength and chemical stability in acidic and alkaline solutions of electrolytes, which are subsequently used to deposit nanostructures in the channels of the porous matrix.

Для формирования пористого электрода на одну из сторон полученного темплата (пористой матрицы) напыляют (термически, магнетронно и т.д.) слой металла (Au, Pt и др.), см. Фиг. 1, стадия 8.To form a porous electrode, a layer of metal (Au, Pt, etc.) is sprayed (thermally, magnetron, etc.) onto one of the sides of the resulting template (porous matrix), see FIG. 1, stage 8.

Синтез наноструктур на основе металлов, их сплавов, а также полупроводников проводят путем электроосаждения требуемых соединений в каналах пористой матрицы (Фиг. 1, стадия 9). Предпочтительны потенциостатические режимы электрокристаллизации. Диаметр формируемых наноструктур совпадает с диаметром пор исходной матрицы, а их длина определяется зарядом, пропущенным в процессе электрокристаллизации, и геометрическими характеристиками темплата.The synthesis of nanostructures based on metals, their alloys, as well as semiconductors is carried out by electrodeposition of the required compounds in the channels of the porous matrix (Fig. 1, stage 9). Potentiostatic electrocrystallization modes are preferred. The diameter of the formed nanostructures coincides with the pore diameter of the initial matrix, and their length is determined by the charge missed during the electrocrystallization process and by the geometric characteristics of the template.

Нижеследующие примеры иллюстрируют сущность изобретения, но никоим образом не ограничивают область его применения. The following examples illustrate the invention, but in no way limit its scope.

Пример 1Example 1

Пленки анодного оксида алюминия с высокоупорядоченной пористой структурой с периодом 105 нм получают следующим образом.Films of anodic alumina with a highly ordered porous structure with a period of 105 nm are obtained as follows.

Монокристалл алюминия с известной кристаллографической ориентацией (оптимальна (111), также подходит А1 (110) и грани более низкой симметрии, но при этом формируемые пористые пленки обладают большей мозаичностью структуры, чем в случае A1 (111), нежелательно использование А1 (100)) подвергают механической или электрохимической полировке до зеркального блеска. Затем гладкую поверхность металла тщательно промывают ацетоном и дистиллированной водой; образец закрепляют в двухэлектродную электрохимическую ячейку. Анодное окисление алюминия проводят при температуре 0°C в водном растворе щавелевой кислоты 0,3 Μ (СООН)2 при постоянном напряжении 40 В. Анодом служит алюминиевая пластина, а вспомогательным электродом - платиновая проволока или пластина. После первого цикла анодного окисления, продолжительность которого более 24 часов, образовавшуюся на поверхности А1 оксидную пленку селективно растворяют в водном растворе, содержащем 0,2 Μ CrO3 и 0,6 Μ Н3РO4, при температуре 70°C в течение 1 часа. Затем проводят второй цикл анодного окисления в тех же условиях. Продолжительность второго анодного окисления выбирают с учетом необходимой толщины оксидной пленки (скорость роста оксидного слоя в выбранных условиях составляет около 2 мкм/ч). Для отделения оксидной пленки от алюминиевой подложки последнюю селективно растворяют в 10 об. % растворе Br2 в СН3ОН или в водном растворе, содержащем 0,5 Μ CuCl2 и 5% НСl. Затем пленки промывают дистиллированной водой и сушат на воздухе.An aluminum single crystal with a known crystallographic orientation (optimal (111), A1 (110) is also suitable and faces of lower symmetry, but the porous films formed have a higher mosaic structure than A1 (111), A1 (100) is undesirable) subjected to mechanical or electrochemical polishing to a mirror finish. Then the smooth surface of the metal is thoroughly washed with acetone and distilled water; the sample is fixed in a two-electrode electrochemical cell. Anodic oxidation of aluminum is carried out at a temperature of 0 ° C in an aqueous solution of oxalic acid 0.3 Μ (COOH) 2 at a constant voltage of 40 V. An anode is an aluminum plate, and a platinum wire or plate serves as an auxiliary electrode. After the first cycle of anodic oxidation, the duration of which is more than 24 hours, the oxide film formed on the surface A1 is selectively dissolved in an aqueous solution containing 0.2 Μ CrO 3 and 0.6 Μ H 3 PO 4 at a temperature of 70 ° C for 1 hour . Then spend the second cycle of anodic oxidation in the same conditions. The duration of the second anodic oxidation is selected taking into account the required thickness of the oxide film (the growth rate of the oxide layer under the selected conditions is about 2 μm / h). To separate the oxide film from the aluminum substrate, the latter is selectively dissolved in 10 vol. % solution of Br 2 in CH 3 OH or in an aqueous solution containing 0.5 Μ CuCl 2 and 5% Hcl. Then the film is washed with distilled water and dried in air.

В результате получают пленку анодного оксида алюминия с высокоупорядоченной пористой структурой с периодом 105 нм, в которой ориентация системы пор определяется кристаллографической ориентацией подложки. Согласно данным растровой электронной микроскопии (Фиг. 3) в случае грани (111) ряды пор ориентируются вдоль направлений <110>. Важно отметить, так как ряды пор ориентируются вдоль направлений <110> в плоскости подложки, в качестве которой выступает монокристалл, ориентация рядов пор оказывается одинаковой в разных точках образца, сколь угодно далеко удаленных друг от друга. Напротив, при окислении обычно используемых поликристаллических подложек ориентация системы пор в различных точках пористой пленки оказывается различна, что не позволяет использовать такие пленки в ряде приложений, включая создание на их основе калибровочных решеток для атомно-силовых микроскопов, магнитных устройств хранения информации со сверхвысокой плотностью записи, высокоразрешающих детекторов электромагнитного излучения и т.д.The result is a film of anodic alumina with a highly ordered porous structure with a period of 105 nm, in which the orientation of the pore system is determined by the crystallographic orientation of the substrate. According to scanning electron microscopy (Fig. 3), in the case of the (111) face, the rows of pores are oriented along the <110> directions. It is important to note, since the rows of pores are oriented along the directions <110> in the plane of the substrate, which is a single crystal, the orientation of the rows of pores is the same at different points of the sample, arbitrarily far removed from each other. On the contrary, during the oxidation of commonly used polycrystalline substrates, the orientation of the pore system at different points of the porous film is different, which does not allow the use of such films in a number of applications, including the creation of calibration gratings for atomic force microscopes and magnetic devices for storing information with an ultrahigh recording density high-resolution electromagnetic radiation detectors, etc.

Пример 2Example 2

Упорядоченность пористой структуры пленок анодного оксида алюминия улучшают следующим образом.The ordering of the porous structure of the films of anodic alumina is improved as follows.

Монокристалл алюминия с известной кристаллографической ориентацией (оптимальна (111), также подходит А1 (110) и грани более низкой симметрии, но при этом формируемые пористые пленки обладают большей мозаичностью структуры, чем в случае A1 (111), нежелательно использование А1 (100)) подвергают механической или электрохимической полировке до зеркального блеска. Затем на гладкой поверхности металла формируют периодически-шероховатый рельеф с периодичностью, совпадающей с периодом, создаваемой в дальнейшем пористой структуры из анодного оксида алюминия. Данный рельеф можно получить несколькими способами, например анодным окислением алюминия и селективным удалением оксидной пленки или путем механического нанесения микронеровностей с помощью штампа с периодически расположенными на его поверхности выступами.An aluminum single crystal with a known crystallographic orientation (optimal (111), A1 (110) is also suitable and faces of lower symmetry, but the porous films formed have a higher mosaic structure than A1 (111), A1 (100) is undesirable) subjected to mechanical or electrochemical polishing to a mirror finish. Then, a periodically rough relief is formed on a smooth metal surface with a periodicity that coincides with the period created in the future by the porous structure of anodic alumina. This relief can be obtained in several ways, for example, by anodic oxidation of aluminum and selective removal of the oxide film or by mechanical deposition of microroughnesses using a stamp with protrusions periodically located on its surface.

Анодное окисление алюминия проводят при температуре 0°C в водном растворе щавелевой кислоты 0,3 М (СООН)2 при 40 В в течение 24 часов. Анодом служит алюминиевая пластина, а вспомогательным электродом - платиновая проволока или пластина. Для отделения оксидной пленки от алюминиевой подложки последнюю селективно растворяют в 10 об. % растворе Br2 в СН3ОН или в водном растворе, содержащем 0,5 Μ CuCl2 и 5% НСl. Затем пленки промывают дистиллированной водой и сушат на воздухе.Anodic oxidation of aluminum is carried out at a temperature of 0 ° C in an aqueous solution of oxalic acid 0.3 M (COOH) 2 at 40 V for 24 hours. An anode is an aluminum plate, and an auxiliary electrode is a platinum wire or plate. To separate the oxide film from the aluminum substrate, the latter is selectively dissolved in 10 vol. % solution of Br 2 in CH 3 OH or in an aqueous solution containing 0.5 Μ CuCl 2 and 5% Hcl. Then the film is washed with distilled water and dried in air.

В результате получают пленку анодного оксида алюминия с высокоупорядоченной пористой структурой с периодом 105 нм, в которой ориентация системы пор определяется кристаллографической ориентацией подложки. При этом размер доменов оказывается больше при анодировании алюминия с периодически-шероховатой поверхностью (см. Фиг. 4А) по сравнению с оксидной пленкой, полученной на отполированной гладкой поверхности металла (см. Фиг. 4Б).The result is a film of anodic alumina with a highly ordered porous structure with a period of 105 nm, in which the orientation of the pore system is determined by the crystallographic orientation of the substrate. Moreover, the domain size is larger when anodizing aluminum with a periodically rough surface (see Fig. 4A) compared with an oxide film obtained on a polished smooth metal surface (see Fig. 4B).

Пример 3Example 3

Высокоупорядоченные массивы анизотропных магнитных наноструктур на основе металлов (Ni, Со) и сплавов (Νi1-xCux) получают следующим образом.Highly ordered arrays of anisotropic magnetic nanostructures based on metals (Ni, Co) and alloys (Νi 1-x Cu x ) are obtained as follows.

Синтез пористой матрицы, определяющей диаметр и взаимную ориентацию нанонитей металла, проводят по методике, подробно описанной в примерах 1 и 2. Для получения темплата со сквозными порами проводят травление оксидных пленок в 5 масс. % растворе Н3РO4 при 60°C в течение 5 мин. На одну из сторон полученного темплата термически напыляют слой золота толщиной 100-200 нм. Термическое напыление золота проводят с использованием вакуумного поста (вакуум не выше 10-5 мм рт. ст., температура испарителя около 2000°C). Навеску Аu массой 80-100 мг помещают на W пластину, выступающую в качестве нагревателя. Пористые пленки располагают над испарителем на расстоянии 100-200 мм. После откачки камеры до остаточного давления 10-5 мм рт. ст.через вольфрамовую пластину пропускают ток ~5 А, что приводит к ее разогреву. После испарения всей навески золота подачу электрического тока прекращают. Затем проводят напуск воздуха в камеру до достижения атмосферного давления и пористые пленки извлекают.The synthesis of a porous matrix that determines the diameter and relative orientation of metal nanowires is carried out according to the method described in detail in examples 1 and 2. To obtain a template with through pores, etching of oxide films of 5 masses is carried out. % solution of H 3 PO 4 at 60 ° C for 5 minutes A layer of gold 100-200 nm thick is thermally sprayed on one side of the resulting template. Thermal spraying of gold is carried out using a vacuum post (vacuum is not higher than 10 -5 mm Hg, the temperature of the evaporator is about 2000 ° C). A portion of 80-100 mg of Au is placed on a W plate serving as a heater. Porous films are placed above the evaporator at a distance of 100-200 mm. After pumping the chamber to a residual pressure of 10 -5 mm RT. Through a tungsten plate, a current of ~ 5 A is passed, which leads to its heating. After evaporation of the entire sample of gold, the supply of electric current is stopped. Then air is blown into the chamber until atmospheric pressure is reached and the porous films are removed.

Синтез магнитных наноструктур на основе металлов и сплавов проводят путем электрокристаллизации в потенциостатическом режиме. Электрод на основе пористых анодных пленок помещают в раствор электролита требуемого состава, сосуд подключают к водоструйному насосу. Образец выдерживают в растворе электролита при пониженном давлении в течение 30 минут, а затем закрепляют в трехэлектродной электрохимической ячейке. В качестве вспомогательного электрода используют платиновую проволоку, а в качестве электрода сравнения - насыщенный хлорсеребряный электрод. Рабочим электродом является пористая пленка с напыленным слоем золота.The synthesis of magnetic nanostructures based on metals and alloys is carried out by electrocrystallization in a potentiostatic mode. An electrode based on porous anode films is placed in an electrolyte solution of the required composition, the vessel is connected to a water-jet pump. The sample is kept in an electrolyte solution under reduced pressure for 30 minutes, and then fixed in a three-electrode electrochemical cell. A platinum wire is used as an auxiliary electrode, and a saturated silver chloride electrode is used as a reference electrode. The working electrode is a porous film with a sprayed layer of gold.

Темплат закрепляют горизонтально, кончик капилляра Луггина, соединяющего рабочее пространство электрохимической ячейки с емкостью для электрода сравнения, подводят к поверхности пористой матрицы не дальше чем на 1-2 мм.The template is fixed horizontally, the tip of the Luggin capillary connecting the working space of the electrochemical cell with the capacitance for the reference electrode is brought to the surface of the porous matrix no further than 1-2 mm.

Электроосаждение металла или сплава проводят в потенциостатическом режиме. Состав электролита и потенциал осаждения выбирают в зависимости от требуемого химического состава получаемых наноструктур (таблица 1).The electrodeposition of a metal or alloy is carried out in a potentiostatic mode. The composition of the electrolyte and the deposition potential are selected depending on the required chemical composition of the resulting nanostructures (table 1).

Figure 00000001
Figure 00000001

По данным растровой электронной микроскопии (Фиг. 5А, Б), указанные условия электрокристаллизации приводят к формированию протяженных (длиной более 30 мкм, диаметром 50 нм) металлических наноструктур. Полученный материал проявляет анизотропию магнитных свойств. Ось легкого намагничивания направлена вдоль длинной оси нанонитей.According to scanning electron microscopy (Fig. 5A, B), the indicated conditions of electrocrystallization lead to the formation of extended (more than 30 microns in length, 50 nm in diameter) metal nanostructures. The resulting material exhibits anisotropy of magnetic properties. The axis of easy magnetization is directed along the long axis of the nanowires.

Пример 4Example 4

Высокоупорядоченные массивы слоистых нанонитей Ni1-xCux/Cu получают следующим образом.Highly ordered arrays of layered Ni 1-x Cu x / Cu nanowires are prepared as follows.

Синтез пористой матрицы, определяющей диаметр и взаимную ориентацию нанонитей металла, проводят по методике, подробно описанной в примерах 1 и 2. Для получения темплата со сквозными порами проводят травление оксидных пленок в 5 масс. % растворе Н3РО4 при 60°C в течение 5 мин. На одну из сторон полученного темплата термически напыляют слой золота толщиной 100-200 нм. Термическое напыление золота проводят с использованием вакуумного поста (вакуум не выше 10-5 мм рт. ст., температура испарителя около 2000°C). Навеску Au массой 80-100 мг помещают на W пластину, выступающую в качестве нагревателя. Пористые пленки располагают над испарителем на расстоянии 100-200 мм. После откачки камеры до остаточного давления 10-5 мм рт. ст. через вольфрамовую пластину пропускают ток около 5 А, что приводит к ее разогреву. После испарения всей навески золота подачу электрического тока прекращают. Затем проводят напуск воздуха в камеру до достижения атмосферного давления и пористые пленки извлекают.The synthesis of a porous matrix that determines the diameter and relative orientation of metal nanowires is carried out according to the method described in detail in examples 1 and 2. To obtain a template with through pores, etching of oxide films of 5 masses is carried out. % solution of H 3 PO 4 at 60 ° C for 5 minutes A layer of gold 100-200 nm thick is thermally sprayed on one side of the resulting template. Thermal spraying of gold is carried out using a vacuum post (vacuum is not higher than 10 -5 mm Hg, the temperature of the evaporator is about 2000 ° C). A sample of Au weighing 80-100 mg is placed on a W plate serving as a heater. Porous films are placed above the evaporator at a distance of 100-200 mm. After pumping the chamber to a residual pressure of 10 -5 mm RT. Art. A current of about 5 A is passed through the tungsten plate, which leads to its heating. After evaporation of the entire sample of gold, the supply of electric current is stopped. Then air is blown into the chamber until atmospheric pressure is reached and the porous films are removed.

Синтез магнитных наноструктур с переменным составом (слоистых нанонитей) проводят путем поочередной электрокристаллизации металлов в потенциостатическом режиме из совместного электролита. Электрод на основе пористых анодных пленок помещают в раствор электролита требуемого состава, сосуд подключают к водоструйному насосу. Образец выдерживают в растворе электролита при пониженном давлении в течение 30 минут, а затем закрепляют в трехэлектродной электрохимической ячейке. В качестве вспомогательного электрода используют платиновую проволоку, а в качестве электрода сравнения - насыщенный хлорсеребряный электрод. Рабочим электродом является пористая пленка с напыленным слоем золота.The synthesis of magnetic nanostructures with a variable composition (layered nanowires) is carried out by alternating electrocrystallization of metals in a potentiostatic mode from a joint electrolyte. An electrode based on porous anode films is placed in an electrolyte solution of the required composition, the vessel is connected to a water-jet pump. The sample is kept in an electrolyte solution under reduced pressure for 30 minutes, and then fixed in a three-electrode electrochemical cell. A platinum wire is used as an auxiliary electrode, and a saturated silver chloride electrode is used as a reference electrode. The working electrode is a porous film with a sprayed layer of gold.

Темплат закрепляют горизонтально, кончик капилляра Луггина, соединяющего рабочее пространство электрохимической ячейки с емкостью для электрода сравнения, подводят к поверхности пористой матрицы не дальше чем на 1-2 мм.The template is fixed horizontally, the tip of the Luggin capillary connecting the working space of the electrochemical cell with the capacitance for the reference electrode is brought to the surface of the porous matrix no further than 1-2 mm.

Электроосаждение слоистых нанонитей проводят путем поочередного осаждения металлов из электролита следующего состава 0,005 Μ CuSO4+0,5 Μ NiSO4+0,6 Μ Н3ВО3. Потенциал осаждения медных сегментов Ed(Cu)=-0,4 В, потенциал осаждения никеля Ed(Ni)=-1,0 В.The electrodeposition of layered nanowires is carried out by alternating deposition of metals from an electrolyte of the following composition 0.005 Μ CuSO 4 +0.5 Μ NiSO 4 +0.6 Μ H 3 VO 3 . The deposition potential of copper segments E d (Cu) = - 0.4 V, the nickel deposition potential Ed (Ni) = - 1.0 V.

По данным растровой электронной микроскопии (Фиг. 6А-В), указанные условия электрокристаллизации приводят к формированию протяженных (длиной более 40 мкм, диаметром 50 нм) металлических слоистых наноструктур. Полученный материал проявляет анизотропию магнитных свойств. Направление оси легкого намагничивания зависит от геометрической анизотропии магнитных сегментов.According to scanning electron microscopy (Fig. 6A-B), these electrocrystallization conditions lead to the formation of extended (over 40 microns in length, 50 nm in diameter) metal layered nanostructures. The resulting material exhibits anisotropy of magnetic properties. The direction of the axis of easy magnetization depends on the geometric anisotropy of the magnetic segments.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет изготавливать пленки анодного оксида алюминия с высокоупорядоченной пористой структурой и массивы анизотропных наноструктур на их основе. Геометрические характеристики наноструктур: диаметр пор 5-300 нм, периодичность пористой структуры 10-500 нм, толщина оксидной пленки 0,5-300 мкм, стандартное отклонение средней ориентации системы пор в различных точках пористой пленки на масштабе более 1 см менее 3°, диаметр анизотропных наноструктур 5-300 нм, длина 0,5-300 мкм, степень заполнения каналов внедряемым веществом не менее 80%, стандартное отклонение средней ориентации системы наноструктр в различных точках массива на масштабе более 1 см менее 3°.Thus, the proposed technical solution allows the manufacture of films of anodic alumina with a highly ordered porous structure and arrays of anisotropic nanostructures based on them. Geometrical characteristics of nanostructures: pore diameter 5-300 nm, porous structure periodicity 10-500 nm, oxide film thickness 0.5-300 μm, standard deviation of the average orientation of the pore system at various points of the porous film on a scale of more than 1 cm less than 3 °, diameter anisotropic nanostructures of 5-300 nm, a length of 0.5-300 microns, the degree of filling of the channels with the introduced substance is not less than 80%, the standard deviation of the average orientation of the system of nanostructures at various points of the array at a scale of more than 1 cm less than 3 °.

Claims (19)

1. Способ получения пористой пленки с высокоупорядоченной системой пор, образующих строгую гексагональную решетку, путем анодного окисления алюминия, отличающийся тем, что в качестве исходного материала используют монокристаллический алюминий с кристаллографической ориентацией А1 (111), А1 (110).1. A method of producing a porous film with a highly ordered system of pores forming a strict hexagonal lattice by anodic oxidation of aluminum, characterized in that single-crystal aluminum with a crystallographic orientation of A1 (111), A1 (110) is used as the starting material. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве подложки используют А1 с гладкой или периодически-шероховатой поверхностью.2. The method according to p. 1, characterized in that A1 is used as a substrate with a smooth or periodically rough surface. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве монокристаллического алюминия используют высокочистый алюминий (более 99,99%).3. The method according to p. 1, characterized in that as single-crystal aluminum using high-purity aluminum (more than 99.99%). 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что анодное окисление алюминия осуществляют в водном или водно-спиртовом растворе кислоты.4. The method according to p. 1, characterized in that the anodic oxidation of aluminum is carried out in an aqueous or aqueous-alcoholic acid solution. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что стандартное отклонение средней ориентации системы пор в различных точках пористой пленки не превышает 3°.5. The method according to p. 1, characterized in that the standard deviation of the average orientation of the pore system at various points of the porous film does not exceed 3 °. 6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что толщина пленки анодного оксида алюминия составляет от 500 нм до 300 мкм.6. The method according to p. 1, characterized in that the film thickness of the anodic alumina is from 500 nm to 300 microns. 7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что диаметр каналов в пленке анодного оксида алюминия составляет от 5 нм до 300 нм.7. The method according to p. 1, characterized in that the diameter of the channels in the film of anodic alumina is from 5 nm to 300 nm. 8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дисперсия пор по размеру составляет менее 15%.8. The method according to p. 1, characterized in that the dispersion of pores in size is less than 15%. 9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что период пористой структуры пленки анодного оксида алюминия составляет от 10 нм до 500 нм.9. The method according to p. 1, characterized in that the period of the porous structure of the film of anodic alumina is from 10 nm to 500 nm. 10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дисперсия расстояний между соседними порами составляет менее 5%.10. The method according to p. 1, characterized in that the dispersion of the distances between adjacent pores is less than 5%. 11. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно проводят химическое травление пленки анодного оксида алюминия в разбавленном растворе кислоты при температуре 20÷90°C.11. The method according to p. 1, characterized in that it further conducts chemical etching of the film of anodic alumina in a dilute acid solution at a temperature of 20 ÷ 90 ° C. 12. Способ формирования высокоупорядоченных массивов анизотропных наноструктур путем электрохимического осаждения внедряемого вещества из соответствующих растворов электролитов в каналах пористой матрицы, отличающийся тем, что в качестве пористой матрицы используют пористую пленку, полученную способом по п. 1.12. The method of forming highly ordered arrays of anisotropic nanostructures by electrochemical deposition of the introduced substance from the corresponding solutions of electrolytes in the channels of the porous matrix, characterized in that a porous film obtained by the method according to claim 1 is used as a porous matrix. 13. Способ по п. 12, отличающийся тем, что степень заполнения пор внедряемым веществом превышает 80%.13. The method according to p. 12, characterized in that the degree of filling of the pores with the introduced substance exceeds 80%. 14. Способ по п. 12, отличающийся тем, что фактор геометрической анизотропии наноструктур составляет до 100000.14. The method according to p. 12, characterized in that the geometric anisotropy factor of the nanostructures is up to 100,000. 15. Способ по п. 12, отличающийся тем, что диаметр анизотропных наноструктур составляет от 5 нм до 300 нм.15. The method according to p. 12, characterized in that the diameter of the anisotropic nanostructures is from 5 nm to 300 nm. 16. Способ по п. 12, отличающийся тем, что дисперсия анизотропных наноструктур по размеру составляет менее 15%.16. The method according to p. 12, characterized in that the dispersion of anisotropic nanostructures in size is less than 15%. 17. Способ по п. 12, отличающийся тем, что расстояние между соседними наноструктурами в их массиве составляет от 10 нм до 500 нм.17. The method according to p. 12, characterized in that the distance between adjacent nanostructures in their array is from 10 nm to 500 nm. 18. Способ по п. 12, отличающийся тем, что дисперсия расстояний между соседними наноструктурами составляет менее 5%.18. The method according to p. 12, characterized in that the dispersion of the distances between adjacent nanostructures is less than 5%. 19. Способ по п. 12, отличающийся тем, что стандартное отклонение средней ориентации системы наноструктур в различных точках массива не превышает 3°. 19. The method according to p. 12, characterized in that the standard deviation of the average orientation of the system of nanostructures at various points in the array does not exceed 3 °.
RU2010133914/04A 2010-08-16 2010-08-16 Method of obtaining anode aluminium oxide with highly ordered porous structure and method of forming arrays of anisotropic nanostructures on its base RU2555366C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010133914/04A RU2555366C2 (en) 2010-08-16 2010-08-16 Method of obtaining anode aluminium oxide with highly ordered porous structure and method of forming arrays of anisotropic nanostructures on its base

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010133914/04A RU2555366C2 (en) 2010-08-16 2010-08-16 Method of obtaining anode aluminium oxide with highly ordered porous structure and method of forming arrays of anisotropic nanostructures on its base

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2010133914A RU2010133914A (en) 2012-02-27
RU2555366C2 true RU2555366C2 (en) 2015-07-10

Family

ID=45851575

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010133914/04A RU2555366C2 (en) 2010-08-16 2010-08-16 Method of obtaining anode aluminium oxide with highly ordered porous structure and method of forming arrays of anisotropic nanostructures on its base

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2555366C2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2620801C1 (en) * 2015-12-28 2017-05-29 Кирилл Сергеевич Напольский Method of forming coloured decorative coating by anodisation
RU2665498C1 (en) * 2017-12-04 2018-08-30 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет) (СКГМИ (ГТУ) Method for modification of photonic crystal on the basis of nanostructured porous anode oxide of aluminum

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU817099A1 (en) * 1979-05-03 1981-03-30 Предприятие П/Я В-8542 Method of producing porous membranes
JP2001073166A (en) * 1999-08-30 2001-03-21 Nippon Light Metal Co Ltd Aluminum alloy substrate for magnetic recording medium and its production
US6231744B1 (en) * 1997-04-24 2001-05-15 Massachusetts Institute Of Technology Process for fabricating an array of nanowires
RU2353717C1 (en) * 2007-12-11 2009-04-27 Государственное образовательное учреждение Высшего профессионального образования "Карельский государственный педагогический университет" (ГОУ ВПО "КГПУ") Technique of oxide coating on aluminium and its alloys
RU2379784C1 (en) * 2008-12-02 2010-01-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный университет" Method of making thin films containing nanostructured tin dioxide
RU2385835C1 (en) * 2008-10-23 2010-04-10 Учреждение Российской Академии Наук Институт Проблем Химической Физики Ран (Ипхф Ран) Method of obtaining nanostructures of semiconductor

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU817099A1 (en) * 1979-05-03 1981-03-30 Предприятие П/Я В-8542 Method of producing porous membranes
US6231744B1 (en) * 1997-04-24 2001-05-15 Massachusetts Institute Of Technology Process for fabricating an array of nanowires
JP2001073166A (en) * 1999-08-30 2001-03-21 Nippon Light Metal Co Ltd Aluminum alloy substrate for magnetic recording medium and its production
RU2353717C1 (en) * 2007-12-11 2009-04-27 Государственное образовательное учреждение Высшего профессионального образования "Карельский государственный педагогический университет" (ГОУ ВПО "КГПУ") Technique of oxide coating on aluminium and its alloys
RU2385835C1 (en) * 2008-10-23 2010-04-10 Учреждение Российской Академии Наук Институт Проблем Химической Физики Ран (Ипхф Ран) Method of obtaining nanostructures of semiconductor
RU2379784C1 (en) * 2008-12-02 2010-01-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный университет" Method of making thin films containing nanostructured tin dioxide

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Jeou-Long Lee et al. The nano-topology influence of osteoblast-like cell on the bio-nanostructure thin film by nanoimprint. 2010 International Conference on Nanotechnology and Biosensors IPCBEE vol.2 (2011). YUAN J.H. et al. A simple method for preparation of through-hole porous anodic alumina membrane.Chem.Mater. 2004.16.N10. c.1841-1844. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2620801C1 (en) * 2015-12-28 2017-05-29 Кирилл Сергеевич Напольский Method of forming coloured decorative coating by anodisation
RU2665498C1 (en) * 2017-12-04 2018-08-30 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет) (СКГМИ (ГТУ) Method for modification of photonic crystal on the basis of nanostructured porous anode oxide of aluminum

Also Published As

Publication number Publication date
RU2010133914A (en) 2012-02-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Yin et al. Fabrication of highly ordered metallic nanowire arrays by electrodeposition
JP5942115B2 (en) Method for producing single crystal copper (I) oxide nanowire array using low temperature electrochemical growth
Vorobjova et al. The influence of the synthesis conditions on the magnetic behaviour of the densely packed arrays of Ni nanowires in porous anodic alumina membranes
WO2010095661A1 (en) Metal member
Jin et al. High-filling, large-area Ni nanowire arrays and the magnetic properties
Prida et al. Electrochemical methods for template-assisted synthesis of nanostructured materials
Mebed et al. Electrochemical fabrication of 2D and 3D nickel nanowires using porous anodic alumina templates
Zhang et al. Fabrication, morphology and structural characterization of ordered single-crystal Ag nanowires
JP3729449B2 (en) Structure and device having pores
US20100298135A1 (en) Porous aluminum oxide templates
RU2555366C2 (en) Method of obtaining anode aluminium oxide with highly ordered porous structure and method of forming arrays of anisotropic nanostructures on its base
JP2001205600A (en) Fine structure and its manufacture
JP2002084037A (en) Light emitting body and structure, and manufacturing method thereof
Kanchibotla et al. Self assembly of nanostructures using nanoporous alumina templates
Ahmad et al. Influence of voltage variation on structure and magnetic properties of Co 1− x Sn x (X= 0.3–0.7) nanowire alloys in alumina by electrochemical deposition
Kalkabay et al. Peculiarities of template assisted electrodeposition one-dimensional nickel nanostructures from chloride electrolyte
JP4136730B2 (en) Structure having pores and method for producing the same
Gong et al. Tailoring morphology in free-standing anodic aluminium oxide: Control of barrier layer opening down to the sub-10 nm diameter
Vorobjova et al. Highly ordered porous alumina membranes for Ni–Fe nanowires fabrication
Guo et al. Preparation and dispersion of Ni–Cu composite nanoparticles
Mikhaylova et al. Nanowire formation by electrodeposition in modified nanoporous polycrystalline anodic alumina templates
JP2001213700A (en) Nano-structure and its manufacturing method
Apolinário et al. Bottom-up nanofabrication using self-organized porous templates
CN101812712A (en) High-speed preparation method of extra small bore diameter porous anodized aluminium film
Han et al. Anodized aluminum oxide membranes as templates for nanoscale structures