УДК 621.9.047.7
БЕЛОВ А.Н.
ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ СТЕПЕНЬ
УПОРЯДОЧЕННОСТИ ПОРИСТОГО АНОДНОГО ОКСИДА
АЛЮМИНИЯ
Московский государственный институт электронной техники
(технический университет)
124498, Россия, Москва-Зеленоград, проезд 4806, д.5
В настоящее время наряду с традиционными методами форми-
рования наноструктур (молекулярно-лучевая эпитаксия, электронная
литография, ионно-лучевая литография) развиваются методы их само-
организации. Перспективным является создание упорядоченных мас-
сивов нанокристаллов различных материалов в нанопористых матри-
цах, поскольку подобные структуры наиболее эффективно могут быть
использованы для целей интегральной микро- и наноэлектроники.
Среди множества пористых материалов пористый анодный ок-
сид алюминия представляет собой естественную наноструктурирован-
ную матрицу ориентированных пор и позволяет формировать в нем
квазиупорядоченные массивы нитевидных нанокристаллов с высоким
аспектным соотношением.
В настоящее время известно несколько методов самоупорядо-
чивания слоев пористого оксида алюминия. Один из них - метод соз-
дания отпечатка литографически подготовленной матрицы, изготов-
ленной на основе SiC. Также известенн метод создания
искусственного нанорельефа сканирующим зондовым микроскопом.
При помощи зонда с определенным периодом в алюминии был сфор-
мирован массив наноразмерных ямок. Далее производилось анодное
окисление этой области.
Целью данной работы было выявление факторов, определяю-
щих свойства формируемых слоев пористого анодного оксида алюми-
ния и разработка методики управления параметрами процесса синтеза
слоев анодного оксида алюминия для повышения степени упорядо-
ченности его структуры.
Исследование кинетики анодирования алюминия проводили с
использованием разработанной методики анализа электрохимического
процесса формирования пористых оксидных пленок, основанной на
непрерывном во времени контроле электрофизических характеристик
процесса и температуры. На рисунке 1 приведены типичные времен-
ные зависимости напряжения и температуры зоны реакции при галь-
ваностатическом (а), а также плотности электрического тока и темпе-
ратуры зоны реакции при потенциостатическом (б) режимах.



а)
б)
Рисунок 1. Зависимости напряжения (а) и плотности тока (б) от време-
ни анодирования алюминия в электролите на основе щавелевой кисло-
ты, при j = 10 мА/см2 и U = 40 В, соответственно. Пунктирной линией
показана временная зависимость температуры зоны реакции.
Из данных исследования было выявлено, что на протяжении
всего процесса анодирования всегда наблюдается непрерывное изме-
нение напряжения и плотности тока с ростом температуры в зоне ре-
акции, что обусловлено увеличением химической активности электро-
лита с повышением его температуры и, как следствие, растворением во
время анодирования стенок матрицы оксида алюминия. Для предот-
вращения этого явления предложен метод термической стабилизации
зоны электрохимической реакции процесса. Однако на основании ис-
следования процесса анодирования в условиях термостабилизации
выявлено, что и в данном случае также наблюдается изменение на-
пряжения и плотности тока (рисунок 2), связанное с непрерывным
увеличением толщины диэлектрического слоя оксида алюминия и от-
сутствием процесса растворения его стенок.


а)
б)
Рисунок 2. Зависимости напряжения (а) и плотности тока (б) от време-
ни анодирования алюминия в электролите на основе щавелевой кисло-
ты, при j = 10 мА/см2

и U = 40 В, соответственно, при Т = 5 С (1), 16С
(2), 22С (3).

В обоих случаях наблюдаемые изменения параметров процесса
анодирования приводят к непрерывному изменению периода структу-
ры и размеров пор оксида алюминия, что вызывает разупорядочивание
его структуры. Для решения задачи минимизации изменения в процес-
се анодирования геометрических характеристик структуры пористого
анодного оксида алюминия была предложена методика формирования
анодного оксида алюминия в потенциостатическом режиме, воспроиз-
водящая динамическое изменение температуры с изменением плотно-
сти тока. На ее основе были определены оптимальные режимы аноди-
рования.
В качестве критерия степени упорядоченности структуры окси-
да было выбрано гексагональное расположение ячеек оксида друг от-
носительно друга. Было предложено считать коэффициентом упорядо-
ченности отношение количества ячеек, удовлетворяющих этому
требованию, к общему количеству ячеек на выбранной площади окси-
да. На рисунке 3 изображены зависимости степени упорядоченности
структуры от времени процесса анодирования в различных режимах
(а) и типичное атомно- силовое изображение поверхности оксида
алюминия, сформированного в одном из технологических режимов
анодирования (б).


а)
б)
Рисунок 3. Зависимости степени упорядоченности (а) пористого окси-
да алюминия от времени формирования в электролите на основе щаве-
левой кислоты в потенциостатическом режиме (), при термостабили-
зации (■), при динамическом изменении температуры с изменением
плотности тока (). АСМ - микрофотография (б) пористого окси-
да.алюминия.
Выявлено, что степень упорядоченности структуры оксида
алюминия возрастает с течением времени процесса анодного окисле-
ния, что согласуется с известными литературными данными. Наи-
большая степень упорядоченности была достигнута для структур, при
создании которых использовали режим анодирования с динамически

изменяющейся с течением времени температурой в зоне электрохими-
ческой реакции, разработанный в соответствии с предложенной мето-
дикой (рисунок 3).
Работа поддержана Грантами РФФИ 05-8-18057-а, 05-03-
32744-а, 06-08-81009-Бел_а


Document Outline