揭開多孔陽極氧化膜生成機制之謎
- 上線日期：2012/1/12 上午 12:00:00
- 資料來源：奈米科學網
美國與德國的科學家最近攜手開發出第一個定量模型，來解釋多孔陽極氧化膜(anodic oxide films)如何在金屬表面生成。由於多孔薄膜在功能化電子元件的開發上舉足輕重，因此有必要深入了解其產生的機制與特性。
將鋁或鈦等金屬置於電化學反應槽之陽極，金屬會在電化學反應過程中失去電子而形成氧化膜，此過程稱為陽極氧化(anodizing)。利用該金屬與其氧化物對環境抗性的差異，選擇適當溶劑將氧化物移除，即可產生高度規則排列、具高比表面積及高深寬比的微米孔洞。藉由調控不同的反應參數，即可輕易得到孔徑大小不同的氧化物結構。此技術可廣泛應用於各種電子元件上，例如多孔二氧化鈦結構可用來製備染料敏化太陽電池。
愛荷華州立大學的Kurt Hebert表示，科學家對於這些材料仍然一知半解，例如，為什麼產生的是孔洞，而非層狀平板？又為何在某些條件下會產生高度規則排列的孔洞，在其他條件下孔洞卻是隨機分布？
為了找尋答案，他與德國埃爾朗根-紐倫堡(Erlangen-Nurnberg)大學的Patrik Schmuki研發出一個量化的工具，能廣泛建構多孔陽極氧化膜形成自有序(self-ordering)結構所需的條件。這些條件是由兩個簡單的參數決定：一是氧化物與形成該氧化物所消耗金屬的體積比(即Pilling-Bedworth ratio)，另一個是產生氧化物的「效率」，即多少比例的金屬原子氧化後仍留在氧化膜中而未溶解於溶液。
該模型亦指出，氧化物的金屬電荷價數必須大於2，才可能產生多孔氧化物結構。這解釋了為什麼科學家努力想製備出多孔氧化鋅(ZnO)結構(ZnO具有高度潛力可應用於太陽電池的材料)，卻徒勞無功─因為鋅離子為2價。
研究人員證實了孔洞間距與外加電壓存在一固定比值，而且成功預測了氧化鋁系統的比值；美中不足的是，此模型無法預測孔隙間距的真實大小。Hebert表示，這是因為孔隙間距取決於氧化層開始變得不穩定時的臨界厚度。要全盤瞭解多孔幾何結構與化學間的關連，研究人員需進一步探討為何在該厚度薄膜會變得不穩。他認為，若能找出控制金屬氧化物臨界厚度的方法，要製備任意孔徑大小及孔隙間距的氧化物結構將不再是夢想。詳見Nature Materials | doi:10.1038/nmat3185。
原始網站: http://nanotechweb.org/cws/article/tech/48118
譯者:薛涵宇(清華大學化學工程學系)
責任編輯:劉家銘
- 相關附件: