Мембраны анодированного оксида алюминия (АОА) обладают однородной пористой структурой с гексагональной упаковкой цилиндрических каналов и узким распределением пор по размерам. Использование различных электролитов, напряжений и времен анодирования позволяет варьировать диаметр пор (D_p), расстояние между порами (D_int) и толщину пленки (L_f) в широких пределах (D_p = 15–200 нм; D_int = 50–500 нм; L_f до нескольких сотен микрон).

Комбинация уникальной пористой структуры (прямые поры управляемого диаметра) с высокой температурной, механической и химической стабильностью делает пленки анодированного оксида алюминия привлекательным материалом для различных применений в области фильтрации и разделения смесей, хранения информации, в сенсорике и для синтеза одномерных наноструктур.

В настоящее время наибольшей популярностью пользуются два способа синтеза оксидных пленок. Анодирование в мягких условиях (Mild Anodization – MA), включающее две стадии, протекает при малых значениях напряжения (U=40 В для щавелевой кислоты и U=25 В для серной) и характеризуется малой скоростью роста (порядка 2 мкм/час). Таким образом, получение толстых пленок требует существенных временных затрат. Жесткие условия анодирования (Hard Anodization – HA) требуют больших напряжений (до 180 В в щавелевой кислоте и до 80 В в серной), что увеличивает скорость роста до 50 мкм/час и позволяет получать большие межпоровые расстояния для аналогичного электролита по сравнению с первым способом.

Рис. 1. Поперечный скол оксидной пленки. Различными цветами показаны слои, полученные при разных напряжениях анодирования

Группе ученых из немецкого института удалось совместить два метода. В результате импульсного анодирования (Pulse Anodization) были получены слоистые структуры (рис. 1). В процессе синтеза напряжение циклически изменялось между мягкими и жесткими условиями (U_MA=25 В в течение 120 сек., U_HA=35 В в течение 0,5 сек.). Время каждого цикла определяет толщину оксидного слоя, а используемое напряжение – структуру пленки (значения D_p и D_int). Таким образом удалось синтезировать пленки АОА с переменным диаметром пор (рис. 2).

Рис. 2. Схема синтеза и СЭМ-изображение мембраны с переменным диаметром пор, полученной импульсным анодированием (U_MA=25 В, T_MA=180 сек., U_HA=33 В, T_НA=1 сек.)

Разработанная технология была успешно использована для синтеза более сложных структур. Трехмерные (3D) полимер-оксидные композиты представлены на рис. 3. Мембраны АОА, синтезированные вышеописанным методом, были заполнены полистиролом с молекулярной массой порядка 10⁵ единиц. Затем композит АОА/ПС был помещен на 20 минут в 5% по массе H₃PO₄, нагретую до 45°C. В результате химического травления были получены листовые мембраны толщиной 290 нм, связанные полимерными нитями. Меньшая химическая стабильность Al₂O₃, полученного при высоких напряжениях, объясняется большей загрязненностью примесями и меньшей толщиной стенок оксидной матрицы.

Рис. 3. СЭМ-изображения 3D-структур на основе тонких пористых пленок анодированного оксида алюминия, сшитых полимерными нитями

Авторы надеются, что полученные 3D-структуры станут основой для получения фононных и фотонных кристаллов. Кроме того, предложенный в работе простой и экономичный способ синтеза тонких пористых пленок анодированного оксида алюминия может найти широкое практическое применение в различных областях нанотехнологий.