Создание бездефектных пористых структур на основе анодного оксида алюминия (АОА) с дальнодействующими позиционным и ориентационным порядками возможно путём анодирования алюминия с предварительно сформированными на его поверхности периодически расположенными углублениями, выступающими в качестве зародышей пор. Существующие исследования по анодированию алюминия с массивом зародышей на поверхности рассматривают металл как изотропную среду. В то же время известно, что кристаллографическая ориентация алюминия оказывает существенное влияние на самоорганизацию пористой структуры, которая происходит при анодировании алюминия в кислых электролитах.
В работе [1], гексагональные массивы углублений были сформированы на поверхности монокристаллов Al(111) и Al(100) с помощью фокусированного ионного пучка (ФИП) с использованием двухлучевой станции Carl Zeiss NVision 40 (ИОНХ РАН). Для учета влияния кристаллографической ориентации алюминия, ряды зародышей пор располагали вдоль кристаллографических направлений [11-2] и [-110] в случае Al(111) (угол разориентации в плоскости 30°) и вдоль кристаллографических направлений [001] и [011] в случае Al(100) (угол разориентации в плоскости 45°). Эволюцию пористой структуры АОА в ходе серии последовательных анодных окислений в 0,3 М щавелевой кислоте при 41 В исследовали методом растровой электронной микроскопии с последующим статистическим анализом изображений.
Установлено, что в случае Al(111) мозаичность структурированных областей демонстрирует плавный рост и достигает 8° при общей толщине АОА ~ 150 мкм вне зависимости от ориентации рядов зародышей пор. Более существенное влияние оказывает кристаллографическая ориентация на локальный позиционный порядок: доля пор в гексагональном окружении (ψ) для случая расположения рядов зародышей пор вдоль [-110] составляет 91%, а вдоль [11-2] – 88% при общей толщине АОА ~ 100 мкм. В случае Al(100) показаны два противоположно направленных тренда. Мозаичность пористой структуры уменьшается, а доля пор в гексагональном окружении увеличивается с толщиной в случае сонаправленного расположение рядов зародышей пор и направления [011]. Напротив, в случае [001] наблюдается деградация упорядоченных областей при увеличении толщины АОА (мозаичность увеличивается, а доля пор в гексагональном окружении уменьшается).
Выявленные закономерности хорошо согласуются с существующей концепцией упорядочения пористой структуры при анодировании алюминия: предпочтительная ориентация рядов пор в плоскости совпадает с направлениями <110> в элементарной ячейке Al [2]. Данное семейство направлений характеризуется максимальной плотностью упаковки атомов в ГЦК решетке, что приводит к стабильной конфигурации границыAl/АОА с однозначным расположением рядов пор. Напротив, разориентация между индуцированными рядами зародышей и направлениями <110> вызывает прогрессирующую деградацию пористой структуры с увеличением толщины АОА. Данные результаты важны для получения бездефектных пористых плёнок толщиной более 100 мкм, которые могут быть использованы для создания 2D/3D фотонных кристаллов и метаматериалов.
Работа выполнена при поддержке гранта РНФ № 19-73-10176.
[1] I.V. Roslyakov, S.V.Sotnichuk, S.E.Kushnir, L.A. Trusov, I.V. Bozhev, K.S. Napolskii, Pore ordering in anodic aluminum oxide: interplay between the pattern of pore nuclei and the crystallographic orientation of aluminum // Nanomaterials, 2022, v. 12, 1417. DOI: 10.3390/nano12091417.
[2] K.S. Napolskii, I.V. Roslyakov, A.Yu. Romanchuk, O.O. Kapitanova, A.S. Mankevich, V.A. Lebedev, A.A. Eliseev, Origin of long-range orientational pore ordering in anodic films on aluminum // Journal of Materials Chemistry, 2012, v. 22, pp. 11922-11926. DOI: 10.1039/c2jm31710a.