X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Одним из перспективных направлений современной нанотехнологии является создание упорядоченной структуры нанопористого оксида алюминия, который эффективно используется для целей интегральной микро- и наноэлектроники. В настоящее время ведутся исследования в области разработки технологии формирования, и изучение свойств нанокристаллов, которые лежат в основе электронных устройств. Нанопористый оксид алюминия используется для формирования диэлектрического покрытия (1–150 мкм) алюминиевых оснований, в качестве межэлементной и межуровневой изоляции в многоуровневых системах межсоединений [1, 2]. На его основе разрабатываются датчики влажности, температуры, давления и магнитных полей, а также технология матричных автоэмиссионных катодов [3]. В связи с этим возрастает интерес к установлению закономерностей зарождения и последующего роста нанопористого оксида алюминия с регулярной кристалломорфологией.

Пористый оксид формируется в результате анодирования алюминия в водных растворах серной, щавелевой, фосфорной и хромовой кислоты. В емкость с электролитом помещается алюминий, выполняющий роль анода, и катод, который подключаются к управляемому источнику питания.

В процесс формирования оксидной плёнки можно условно выделить четыре основных этапа.

Во время первого этапа происходит рост плёнки барьерного типа из-за ионной проводимости в сильном электрическом поле и при постоянной напряженности поля. На следующем этапе происходит локальное утолщение пленки, по причине неоднородного распределения напряженности электрического поля по поверхности образца, возникающее в связи с особенностями рельефа и дефектами анодируемой поверхности. Локальное увеличение напряженности поля увеличивает скорость растворения оксида, в результате чего происходит рост диаметра нанопоры. Рост диаметра нанопор продолжается до момента соприкосновения соседних нанопор. Толщина оксида на границе соприкосновения пор начинает превышать толщину барьерного слоя, в связи с этим ионный ток между порами останавливает процесс растворения оксида в этой зоне и в дальнейшем может протекать только на дне поры, что приведет к ее углублению.

В зависимости от условий синтеза, в частности, от используемого электролита, могут образовываться два типа анодных плёнок, представленных на рисунке 1. Барьерный тип пленок может быть получен в не растворяющих оксид электролитах (5 < pH < 7), например, в растворах борной кислоты. Пленки пористого типа образуются в слабо растворяющих электролитах, таких как серная, фосфорная и щавелевая кислоты. Оба типа оксидных пленок алюминия состоят из двух частей: внутреннего и внешнего слоя. Внутренний слой представляет собой чистый оксид алюминия, в то время как внешний содержит примеси различных ионов.

Рисунок 1 - Схематическое изображение пленок оксида алюминия.

Нанопористая анодная оксидная пленка представляет собой плотноупакованные оксидные ячейки, имеющие форму гексагональных призм, соединенных между собой по боковым граням. Размер ячеек пропорционален напряжению анодирования. Ячейки оксида направлены нормально к поверхности металла и параллельны друг другу. В центре каждой ячейки имеется одна цилиндрическая пора, диаметр которой определяется природой электролита и составом анодируемого сплава. Основанием ячеек служит плотный барьерный слой, примыкающий к металлу и имеющий аналогичную ячеистую структуру.

Химическая реакция, описывающая рост нанопористой анодной пленки, включающая в себя сумму всех отдельных реакций на каждом электроде представлена в уравнением 1:

2Al + 3H₂O ==>Al₂O₃ + 3H₂. (1)

Анионы кислорода, поступающие из электролита, реагируют с металлом, в результате формируются анионные вакансии на границе алюминий-оксид, а потребляются на границе оксид-электролит:

2Al³⁺+ 3O^2- ==>Al₂O₃+ 6e^-. (2)

Катионы алюминия, двигающиеся от поверхности алюминия через барьерный оксидный слой, реагируют с водой, что приводит к росту пленки на границе оксид-электролит и образованию катионных вакансий:

2Al³⁺ + 3H₂O==>Al₂O₃ + 6H⁺. (3)

Полученные вакансии на границе «металл – оксид» ответственны за пробой пассивирующей анодной пленки и за большие локальные потоки катионов через пленку. Стационарная толщина барьерного слоя и логарифм стационарной плотности тока должны изменяться линейно в соответствии с прикладываемым потенциалом анодирования.

В случае растворения алюминия в электролите во время образования пористой пленки, анодные реакции выглядят так:

2Al ==> 2Al³⁺ + 6e^- . (4)

В результате реакции на катоде, происходит выделение водорода:

6H⁺ + 6e^- ==> 3H₂ . (5)

Оксидирование алюминия можно проводить в гальваностатическом, потенциостатическом и комбинированных режимах. Существует огромное количество работ [4-6] по экспериментальному установлению зависимости между размерами ячеек нанопористого оксида алюминия и условиями его формирования. Рассмотрение результатов известных работ не позволяет сделать обобщающий выводов о закономерности формирования размеров ячеек в связи с тем, что в этих работах упускается весьма важный аспект, связанный с установлением взаимосвязи между количеством электричества, расходуемым на формирование пористого оксида, и размерами его ячеек.

Список используемой литературы:

Сокол В.А. Конструктивно-технологические методы создания гибридных микросхем на основе алюминия и его анодных оксидов: Дис. … д-ра техн. Наук. Мн., 1988.

Sokol V.A., Kurayev A.A., Sinitsyn A.K., Grinis L.M. // Nanomeeting physics, chemistry and application of nanos-tructures. Minsk, 1999, P.280–286.

Thompson G.F., Furnegus R.C., Wood G.C. // Corrosion Science. 1978. Vol.18. P.481–498.

Сокол В.А. Особенности роста пористого оксида алюминия // Доклады БГУИР. 2001. Том 1. № 1. С. 75–82.

Гаврилов С.А., Белов А. Н. Электрохимические процессы в технологии микро- и наноэлектроники. Учебное пособие. М: «Высшее образование», 2009. 257 с.

Мозалев А.М., Мозалева И.И., Позняк А.А. Формирование пористых оксидных пленок в условиях самолокализации ионного тока при гальваностатическом анодировании алюминия в растворах фосфорной кислоты. // Доклады БГУИР. 2006. № 2

Код для цитирования: Скопировать