Ảnh hưởng của thời gian và điện thế anốt hóa đến cấu trúc lỗ xốp nanô của màng ôxít nhôm Al2O3

Kết quả nghiên cứu cho thấy chiều dày và đường kính lỗ xốp của màng ôxít tăng lên khi tăng thời gian điện phân. Khi tăng thời gian điện phân lên trên 90 ph, đường kính lỗ xốp không lớn thêm nhiều, trong khi chiều dày lớp màng ôxít tiếp tục tăng

The effect of anodization time and voltage on the nanopore structure of aluminum oxide Al₂O₃ membrane

Nguyễn Văn Dán, Tạ Quang Tuyến Bộ môn Kim loại và hợp kim, Khoa Công nghệ vật liệu Trường Đại học Bách khoa Tp.HCM

TÓM TẮT

    Đã nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian và điện thế điện phân đến cấu trúc lỗ xốp nanô của màng ôxít nhôm Al₂O₃ khi sử dụng dung dịch điện phân là axit ôxalic 0,3M tại 15°C. Thời gian anốt hóa thay đổi là 30, 60, 90 và 120 ph. Điện thế điện phân là 30, 40, 50 và 60 V. Màng xốp ôxít nhôm đã được chế tạo có cấu trúc lỗ nanô trật tự với chiều dày lớp màng, đường kính lỗ xốp khác nhau. Đường kính lỗ xốp được đo trên FESEM, chiều dày lớp màng ôxít được đo bằng kính hiển vi quang học. Kết quả nghiên cứu cho thấy chiều dày và đường kính lỗ xốp của màng ôxít tăng lên khi tăng thời gian điện phân. Khi tăng thời gian điện phân lên trên 90 ph, đường kính lỗ xốp không lớn thêm nhiều, trong khi chiều dày lớp màng ôxít tiếp tục tăng. Chiều dày và đường kính lỗ xốp của màng ôxít tăng lên khi tăng điện thế điện phân. Khi tăng điện thế điện phân lên trên 50 V, chiều dày của màng ôxít không tăng thêm nhiều, trong khi đường kính lỗ xốp tiếp tục tăng.

ABSTRACT

    The effect of time and voltage on the nanopore structure of aluminum oxide Al₂O₃ membranes was studied by anodization of pure aluminum with the electrolyte of oxalic acid 0,3M at 15°C. The anodization time was 30, 60, 90 and 120 minutes. The anodization voltage was chosen as 30, 40, 50 and 60 V. The formed membranes have ordered nanopore structure with different thicknesses and pore diameters. Pore diameter was estimated by FESEM. Thickness of membranes was measured with optical microscope. Research results showed that thickness and pore diameter of the oxide layer increased with increasing anodization time. When the anodizing time was above 90 minutes, only a continuous increase of film oxide layer thickness is observed. With increasing voltage, thickness and pore diameter of the oxide layer increased. A growing voltage above 50V caused only the pore diameter to be raised.

1. MỎ ĐẦU

    Màng ôxít nhôm Al₂O₃ chế tạo bằng phương pháp anod hóa nhôm có cấu trúc lỗ xốp tổ ong đồng đều là tiền đề để chế tạo giả vật liệu chiết suất âm có những tính chất quang - điện tử đặc biệt [1]. Công trình nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian và điện thế điện phân đến cấu trúc lỗ xốp (chiều dày lớp màng ôxít và đường kính lỗ xốp) của màng ôxít nhôm Al₂O₃ khi sử dụng dung dịch điện phân là axit ôxalic 0,3M tại 15°C [2].

2. Thực nghiệm

    Nguyên liệu và hóa chất gồm:

    - Phôi nhôm sạch 99,95%

   - Axit C₂H₂O₄, H₂SO₄, H₃PO₄, H₂CrO₄, HNO₃, NaOH, NaSiO₃, Na₂CO₃.

    - Etylen Glycol Trình tự chế tạo mẫu nghiên cứu nêu trong bảng 1 [3, 4].

Bảng 1: Tóm tắt quy trình chế tạo và nghiên cứu mẫu

    Các đặc trưng kỹ thuật chế tạo và xử lý mẫu màng ôxít Al₂O₃ bằng phương pháp anốt hóa được minh họa trên hình 1. Các mẫu đã chế tạo được ký hiệu như trong bảng 2.

 Bảng 2. Kí hiệu các mẫu chế tạo và chế độ anốt hóa

Hình 1. Sơ đồ quá trình chế tạo màng nhôm ôxit Al₂O₃ bằng phương pháp anốt hóa

    Đã sử dụng các phương pháp thực nghiệm sau đây để quan sát và đánh giá cấu trúc lớp màng ôxít:

    - Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM) tại Viện Khoa học & Công nghệ Việt Nam: quan sát cấu trúc bề mặt và cấu trúc mặt cắt ngang của mẫu nhôm sau khi anốt hóa.

    - Kính hiển vi quang học quan sát và phân tích độ sâu lớp ôxit nhôm (khoa CN Vật liệu, trường ĐHBK Tp.HCM).

3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Ảnh hưởng của thời gian điện phân đến chiều dày lớp màng ôxít nhôm Al₂O₃ và đường kính lỗ xốp

    Đường kính lỗ xốp được đo bởi FESEM, chiều dày lớp màng ôxít được đo bằng kính hiển vi quang học. Hình chụp mẫu A1, A2, A3, A4 được nêu trong các hình 2, 3, 4 và 5. ảnh FESEM cho thấy rõ các lỗ xốp được tạo ra đều nhau. Bằng phương pháp trung bình đã tính được đường kính lỗ xốp (DAV) của các mẫu anốt hóa.

Hình 2 và 3

Hình 4 và 5

    Công thức trung bình trên 100 lỗ xốp:

    trong đó:

n - số lỗ xốp cùng đường kính d - đường kính lỗ xốp, n1 + n2 + …. + nn = 100.

    Kết quả đo DAV và chiều dày lớp ôxít của các mẫu được ghi trong bảng 3.

Bảng 3. Tổng hợp số liệu DAV và chiều dày lớp ôxít của các mẫu

    Từ số liệu bảng này đã xây dựng biểu đồ phụ thuộc của đường kính lỗ xốp và chiều dày lớp màng ôxít theo thời gian (hình 6, 7).

Hình 6, 7

    Từ đồ thị hình 6 và 7, thấy rằng khi tăng thời gian anốt hóa (30-120 phút) thì đường kính trung bình của lỗ xốp và chiều dày màng ôxit tăng, điều này phù hợp với cơ chế hình thành lớp màng ôxit [5].

    Trong khoảng thời gian từ lúc bắt đầu anode lần thứ 2 cho tới 30 phút, bắt đầu giai đoạn hình thành lớp màng ôxit cũng như hòa tan các tâm mầm lỗ xốp đã có sẵn sau lần anốt hóa thứ nhất, do đó các lỗ có đường kính nhỏ và chiều dày lớp màng thấp.

    Khoảng thời gian anốt hóa từ 30-60 phút, sự hình thành màng và hòa tan phát triển nhanh dẫn đến các lỗ xốp mở rộng dần và chiều dày lớp màng tăng nhanh.

    Khoảng thời gian anốt hóa từ 60 đến 90 phút, giai đoạn này các lỗ có mở rộng nhưng đường kính lỗ tăng tương đối ít kể cả chiều dày lớp màng.

    Trong khoảng thời gian anốt hóa từ 90 đến 120 phút thì đường kính lỗ thay đổi rất ít nhưng chiều dày lớp màng ôxit lại tăng nhanh, cho thấy việc kích thước lỗ chỉ tăng theo thời gian tới một mức nhất định nào đấy mà không thể tăng thêm được nữa, sẽ tác động làm cho chiều dày lớp màng ôxit tăng nhanh.

3.2. Ảnh hưởng của điện thế điện phân đến chiều dày lớp màng ô xít nhôm Al₂O₃ và đường kính lỗ xốp.

    Đường kính lỗ xốp được đo trên ảnh chụp FE SEM, chiều dày lớp màng ôxít được đo trên ảnh chụp ở kính hiển vi quang học. Hình chụp mẫu A5, A1, A6, A7 được thể hiện trên các hình 8, 9, 10 và 11.

Bảng 4. Tổng hợp số liệu DAV và chiều dày lớp ôxít của các mẫu

Hình 8, 9

Hình 10 và 11

    Từ bảng 4 đã xây dựng biểu đồ phụ thuộc của đường kính lỗ xốp và chiều dày lớp màng ôxít theo điện thế điện phân (hình 12, hình 13).

Hình 11 và 12

   Từ hai đồ thị hình 12 và hình 13 thấy rõ, khi tăng hiệu điện thế (30-60V) thì đường kính trung bình lỗ xốp và chiều dày màng ôxit tăng. Khi hiệu điện thế là 30V thì đường kính lỗ khá nhỏ, đặc biệt là chiều dày lớp màng ôxit nhôm còn rất nhỏ (0,193μm), quá trình anốt hóa xảy ra tương đối chậm. Khi tăng hiệu điện thế lên 40V, đường kính lỗ xốp chưa tăng đáng kể, nhưng chiều dày lớp màng ôxit đã tăng nhiều so với mẫu ở 30V. Với hiệu điện thế 40V, phản ứng tạo màng xảy ra tương đối nhanh, dung dịch anốt hóa ăn mòn lớp nhôm nhiều hơn so với mẫu 30V, nhưng chủ yếu theo chiều sâu, làm chiều dày lớp màng ôxit tăng, chứ không làm rộng nhiều đường kính lỗ xốp. Khi tăng hiệu điện thế lên 50V, có thể thấy là đường kính lỗ và chiều dày lớp màng đều tăng lên rất nhanh, cho thấy với các điều kiện nhiệt độ 15°C, dung dịch H₂C₂O₄, hiệu điện thế 50V thì mẫu nhôm sẽ bị ăn mòn tương đối mạnh, phản ứng tạo màng xảy ra khá nhanh, kể cả độ rộng của lỗ xốp cũng tăng rất nhiều. Khi tăng hiệu điện thế lên 60V, đường kính lỗ xốp vẫn tăng rất nhanh, nhưng chiều dày tăng rất ít so với mẫu 50V.

    Qua đây thấy rằng với thời gian anốt hóa 30 phút và ở các các điều kiện trên thì chiều dày lớp màng ôxit sẽ tăng khi tăng hiệu điện thế điện phân, nhưng sau đó sẽ tăng chậm lại và gần như không đổi.

4. KẾT LUẬN

    Đã nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian và điện thế điện phân đến cấu trúc lỗ xốp của màng ôxít nhôm Al₂O₃ khi sử dụng dung dịch điện phân là axit ôxalic tại 15°C. Khi tăng thời gian điện phân, đường kính lỗ xốp của màng ôxít nhôm Al₂O₃ chỉ tăng tới một giá trị tới hạn, còn chièu dày lớp màng ôxít tăng mạnh. Khi tăng điện thế điện phân, chiều dày lớp màng ôxít cũng chỉ tăng tới một giá trị tới hạn, trong khi đường kính lỗ xốp màng ôxít lại tăng mạnh.

    Như vậy, có thể lựa chọn các chế độ điện phân thích hợp (thời gian điện phân và điện thế điện phân) để chế tạo màng xốp Al₂O₃ có chiều dày màng và đường kính lỗ mong muốn.

[symple_box color="yellow" text_align="left" width="100%" float="none"]

TÀI LIỆU TRÍCH DẪN

1. Ralf B. Wehrspohn, Ordered Porous Nanostructures and Applications, Springer Science+Business Media, Inc, Germany, 2005, pp 42-51
2. Phạm Hoàng Việt, Luận văn tốt nghiệp đại học. “Nghiên cứu ảnh hưởng của dung dịch điện phân và chế độ công nghệ anode hóa đến kích thước lỗ màng AAO Template”, 1/2010
3. Lê Thị Bích Liễu, Luận văn tốt nghiệp đại học. “Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano C-Ag trên cơ sở nền Al₂O₃”, 1/2009
4. Nguyễn Thanh Tuấn, Luận văn tốt nghiệp đại học.“Nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp thụ sóng hồng ngoại trên cơ sở màng Nano Al₂O₃ và sơn Epoxy, Nano Ag – C”, 1/2009
5. Ali Eftekhari, Nanostructured Materials in Electrochemistry, Wiley-VCH Verlag GmbH&Co.KgaA Weinheim, Germany, 2008

[/symple_box][symple_clear_floats]