научная статья по теме ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА САМООРГАНИЗАЦИИ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ САМОУПОРЯДОЧЕННОЙ СТРУКТУРЫ ПОРИСТОГО АНОДНОГО ОКСИДА АЛЮМИНИЯ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА САМООРГАНИЗАЦИИ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ САМОУПОРЯДОЧЕННОЙ СТРУКТУРЫ ПОРИСТОГО АНОДНОГО ОКСИДА АЛЮМИНИЯ»

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2007, том 36, № 6, с. 437-445

ТОНКИЕ ^^^^^^^^^^^^^^^^ ПЛЕНКИ

УДК 621.315.61

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА САМООРГАНИЗАЦИИ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ САМОУПОРЯДОЧЕННОЙ СТРУКТУРЫ ПОРИСТОГО АНОДНОГО ОКСИДА АЛЮМИНИЯ

© 2007 г. А. И. Воробьева*, Е. А. Уткина*, А. А. Ходин**

*Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники **Институт электроники Национальной академии наук Беларуси E-mail: outkina@excite.com Поступила в редакцию 26.12.2006 г.

Рассмотрены возможные механизмы самоорганизации при формировании упорядоченной структуры пористого анодного оксида алюминия. На основе анализа предполагаемых механизмов самоорганизации предложена модель с учетом физико-химических процессов на начальной стадии роста пористого анодного оксида алюминия. Приложенный потенциал распределяется между тремя основными компонентами электрохимической системы: растущий слой оксида, слой Гельмгольца на границе электролит-оксид, и слой объемного заряда Гуи-Чэпмена, простирающийся от границы слоя Гельмгольца до квазинейтрального объема электролита. Установлено, что преобразование приграничного слоя определяется эффектами самоорганизации в слое Гуи-Чэпмена. Размер ячеек формируемого пористого оксида алюминия коррелирует (линейно связан) с толщиной слоя Гуи-Чэпмена, которая определяется температурой, концентрацией и типом электролита. Полученные теоретические результаты хорошо согласуются с экспериментальными данными.

ВВЕДЕНИЕ

Механизм самоорганизации при формировании пленок анодного оксида алюминия (ПАоА) до настоящего времени с точностью не установлен. Развитие наноэлектроники дало новый толчок исследованиям в этой области, так как пленка пористого анодного оксида алюминия является многообещающим кандидатом в качестве стартового материала при создании наноэлектронных приборов. В связи с этим дальнейшие исследования механизма самоорганизации для управления свойствами матриц из пористого оксида алюминия являются весьма актуальными.

Периодические матрицы самоупорядоченных ПАОА (рис. 1) создаются анодированием алюминиевой фольги высокой чистоты в кислотном растворе. Алюминий анодируется, после чего сформированный оксид удаляется, и оставшийся А1 повторно анодируется [1, 2].

В последнее время появился ряд статей [3, 4], в которых рассматриваются электрохимические процессы формирования упорядоченных матриц пористого анодного оксида алюминия, который так и называют "самоорганизующаяся система".

Известен ряд механизмов, предлагаемых для объяснения растворения оксида и роста пор: это локальный нагрев электролита [5], электрическое поле, содействующее растворению оксида [6], прямой перенос ионов алюминия в раствор [7], осадкообразование гелеподобного гидроксида алюминия [8] и

т.д. Представлено несколько моделей [9, 10] самоорганизованного роста пор, приводящего к образованию плотно упакованной гексагональной пористой структуры. Установлено [11], что размер упорядоченных областей сильно зависит от напряжения анодирования. Этот эффект коррелирует с зависимостью объемного расширения алюминия от напряжения при анодировании и с выходом по току при формировании оксида.

Рассматривая термодинамические теории формирования спонтанно упорядоченных наноструктур различного типа, авторы работы [12] считают, что источником такого поведения являются пластические взаимодействия. Предполагается, что результирующие механические напряжения на границе раздела металл/оксид обусловлены силами отталкивания между соседними порами, которые стимулируют формирование матриц упорядоченных гексагональных ячеек.

Таким образом, детальный теоретический анализ механизмов самоорганизации является актуальным в связи с необходимостью отработки управляемого процесса создания самоорганизованных структур на основе анодного оксида алюминия. Целью данной работы является анализ существующих моделей самоорганизованного роста пористого анодного оксида алюминия и исследование механизма формирования регулярной пористой матрицы при анодировании пленки алюминия в электролитах различного состава.

Рис. 1. Изображения поверхности (а) и поперечного сечения (б) пористого анодного оксида алюминия, полученные в атомно-силовом микроскопе [1].

АНАЛИЗ

Анализ теоретических и экспериментальных результатов позволяет определить последовательность процессов при формировании самоупорядоченной структуры пористого оксида алюминия:

1) протекание реакции передачи кислорода от анионов или молекул раствора на анодируемый металл и возникновение первичного соединения алюминия с кислородом;

2) формирование сплошной тонкой оксидной пленки барьерного типа;

3) рост утолщенной пленки пористого типа.

Первые стадии зарождения и роста пор достаточно полно исследованы в ранних классических работах по анодированию вентильных металлов [13-15]. Считается, что процесс самоупорядочения при росте пористого оксида наиболее наглядно проявляется на последней, самой длительной стадии процесса. При этом образуются оксиды большой толщины, так как последняя прямо пропорциональна времени анодирования.

В данной статье рассматривается механизм самоорганизации при формировании упорядоченной структуры пористого анодного оксида алюминия, учитывающий физико-химические процессы на начальной стадии роста.

За многие годы исследования анодного оксида алюминия (более 40 лет) никто пока не ответил на один простой вопрос: почему только на алюминии возможно формирование аморфного пористого

анодного оксида с гексагонально упорядоченными элементарными ячейками размером в десятки нанометров. Другие анодируемые металлы - тантал, ниобий, титан, цирконий, гафний и др. не образуют таких анодных оксидов.

Формирование самоупорядоченного пористого кремния на монокристаллической подложке можно связывать с наличием упорядоченной кристаллической структуры в исходном полупроводнике. Формирование неупорядоченных аморфных анодных оксидов на всех поддающихся анодированию металлах (как массивных, так и поликристаллических пленочных) в принципе находит объяснение, и многочисленные правдоподобные варианты приводятся в литературе. Уникальность алюминия остается загадкой, хотя в последнее время, в связи с возрождением практического интереса к его использованию, появились, естественно, и теоретические рассуждения, касающиеся причин такого неординарного поведения алюминия при анодировании.

Согласно многочисленным исследованиям процесса анодирования массивного и пленочного алюминия, в стационарном режиме всегда образуется пористый оксид алюминия, элементарные ячейки которого состоят из плотного (барьерного) оксида (1) с порой в центре (2), как показано на рис. 2. Имеется в виду тот факт, что ячеисто-пористая структура ПАОА формируется и в барьерообразу-ющих электролитах. Только началу образования пор в этих электролитах предшествует очень длительный период (до 90 мин и более), в течение ко-

торого барьерный окисный слой утолщается, а среднее поле в оксиде уменьшается до значения Екр. Толщина (К) беспористого плотного оксида, формируемого в электролитах, не растворяющих оксид алюминия (барьерообразующие электролиты с рН равным 5.5), зависит от напряжения формовки (и) и составляет 1.4 нм/В. Рассчитанный из этой величины градиент потенциала (и¡/К) соответствует критической напряженности электрического поля Екр = (7-8) х 106 В/см, ниже которой движение ионов алюминия и кислорода прекращается, а следовательно, прекращается и рост пленки.

Авторы работы [16] показали, что диаметр поры в барьерообразующих электролитах принимает постоянное значение примерно через 32 ч, а глубина поры становится линейной функцией времени анодирования, и сами поры принимают цилиндрическую форму через 8 ч. В порообразую-щих электролитах это время равно примерно 2 с.

Учитывая значительное временное различие процессов, происходящих в барьеро- и порообра-зующих электролитах, первый процесс называется плотным анодированием и заканчивается через 10-15 мин после достижения заданного напряжения при получении плотных оксидов, а второй называется пористым и продолжается до достижения заданной толщины пористого оксида.

Толщина барьерного слоя (К) в пористой пленке (рис. 2) также является функцией формующего напряжения и в процессе анодирования остается практически постоянной и пропорциональной 1.0 нм/В в большинстве используемых порообразующих электролитов. В табл. 1 приведены значения постоянной анодирования для различных электролитов [14]. Толщина пористой части пленки (Н зависит от количества электричества, прошедшего через анод, т.е. растет в соответствии с законом Фарадея.

Предполагается, что одной из причин развития такой структуры является обратная зависимость скорости миграции ионов электролита от числа переноса ионов кислорода О2-. В качестве примера в табл. 2 приведены соотношения этих параметров

D

2°3

Рис. 2. Схематическое изображение поверхности и поперечного сечения пористого анодного оксида алюминия.

для двух типов оксидов (А12О3 и Та2О5) и электролитов (4%-ный водный раствор Н3РО4 и 10%-ный водный раствор Н^О4) [7]. Из табл. 2 видно, что наиболее благоприятной средой для развития пористой структуры при анодировании алюминия является сернокислый электролит, а при анодировании тантала - фосфорнокислый.

Таблица 1. Значения постоянных анодирования для различных порообразующих электролитов

Электролит Диаметр пор, нм Постоянная анодирования*, нм/В Оптимальное напряжение формовки, В Толщина барьерного слоя, нм

4%-ный водный раствор фосфорной кислоты 33 1.0 80 80.0

2%-ный водный раствор щавелевой кислоты 17 0.97 40 38.8

3%-ный водный раствор хромовой кислоты 24 1.09 20 21.8

10%-ный водный раствор серной кислоты 12 0.80 12 9.6

* Постоянная анодирования определялась по толщине стенки поры, которая в процессе анодирования электрохимически не растворяется в отличие от дна поры.

Таблица 2. Зависимость подвижности ионов электролита от числа переноса ионов кислорода

Радиус иона, нм Относительная подвижность* Тип иона/оксид

0.235 0.260 0.235 0.260 0.51 0.60 0.37 0.30 Р03_ /А12О3 802_ /А12О3 Р03_ /Та2О5 802_ /Та2О5

* За единицу принята подвижность ионов кисл

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком