CC BY
02. Закс Л. Статистическое оценивание / Пер. с нем.-М.: Статистика, 1976.- 598 с.
3. Крамер Г. Математические методы статистики / Пер. с англ.-М.: Мир, 1975.- 648 с.
4. Келли Т.Л. Статистические таблицы / Пер. с англ..-М.: ВЦ АН СССР, 1966.- 193 с.
5. Кобзарь А.И. Прикладная математическая статистика. Для инженеров и научных работни-ков.-М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006.-816 с.
Кэд1р М.Ф.
магистрант Эсембаева Э.Р. магистрант Алпысбаева Б.Е. доктор PhD Калкозова Ж.К. к.ф.-м.н.
Казахский национальный университет им. аль-Фараби, г.Алматы, Казахстан
ФОРМИРОВАНИЕ АНОДНОГО ОКСИДА АЛЮМИНИЯ И ИХ СТРУКТУРНЫЕ
ОСОБЕННОСТИ
FORMATION OF ANODIC ALUMINUM OXIDE AND THEIR STRUCTURAL FEATURES
Kadir M.F.
undergraduate Assembayeva A.R. undergraduate Alpysbaeva B.E. Doctor PhD Kalkozova Zh.
Candidate of Physical and Mathematical Sciences Al-Farabi Kazakh National University, Almaty, Kazakhstan
АННОТАЦИЯ
Наноструктурные пленки на основе Al2O3 были получены методом электрохимического анодирования, а так же исследованы их структурные свойства. В ходе экперимента были определены оптимальные параметры процесса анодирования. В результате изменения данных параметров были получены пленки наноструктурными порами различных величин.
ABSTRACT
Nanostructured films AbO3 were obtained by different acids with using anodizing process and their structural features were observed. Indicated the optimal parameteres of the anodizing process for nanostructured.
Ключевые слова: процесс электрического анодирования, наноструктурные поры, электролит, пористый оксид алюминия.
Keyword: electrochemical anodizing process, nanostructured pore, electrolyte, porous aluminum oxide.
Благодаря своим структурным особенностям наноструктурные пористые пленки на основе оксида алюминия используются в различных отраслях техники: в особенности в качестве чувствительных слоев и покрытии для сенсорных устройств [1-3]. Нанопористые пленки на основе оксида алюминия формируются в результате электрохимического травления подложки алюминия в разных кислотах [4]. Нанопоры полученные таким путем имеют такие качества как, высокая упорядоченность пор, высокая пористость, самая простая технология получения [5,6]. А так же, благодаря контролю электрофизических, механических, температурных, коррозионных свойств и геометрических параметров (диаметр и длина) такие материалы широко преминяются в отраслях современной микроэлектроники: микробиологии, производстве датчиков газа, и используются в качестве матрицы для осаждения частиц. Можно достичь самой высокой чувствительности данных
датчиков путем вариации технологических параметров и определения оптимальных параметров формирования пор.
Чувствительный элемент датчика состоит из подложки алюминия с нанопористым оксидным слоем [7 - 9].
Пористые оксидные анодированные пленки могут формироваться на таких материалах (подложках) как, кремний, фосфид индия, титан, ниобий, тантал и т.д. Но самым перспективным материалом для формирования нанопористых структур является алюминий [10]. По сравнению с сапфиром, Si3N4 , с оксидом кремния преимуществом пористого оксида алюминия является высокая технологичность и низкая стоимость [11]. Анодированный оксид алюминия обладает наноразмер-ной ячеисто - пористой структурой, высокой механической прочностью, особенными диэлектрическими и оптическими свойствами. Изменяя условия анодирования можно получить пористый
оксид алюминия с различными морфологическими и электрофизическими свойствами.
Структурные особенности нанопор на основе оксида алюминия зависят от параметров процесса электрохимического анодирования. Благодаря этой зависимости можно прогнозировать, а так же изменять такие параметры как диаметр пор материалов, расстояние между центрами пор, толщина нанопористой пленки. Такие особенности нано-структурных пористых материалов позволяют использовать их в широком спектре отраслей технологии [12].
Экспериментальная часть
В данной экспериментальной работе были получены наноструктурные пористые пленки на основе оксида алюминия процессом электрохимического анодирования в различных электролитах. Процессы синтезирования проводились в специальных ячейках сделанные из фторопласта. В качестве анода были использованы фольга алюминия с чистотой в 99,99% и размерностью 20*15*1 мм, а так же в качестве катода использовалась фольга из вольфрама не вступающая в реакцию с электролитом, в качестве электролита использова-
Условия про]
лись щавелевая кислота (СООН)2 с концентрацией 0,4 М и ортофосфорная кислота (Н3РО4).
Формирование нанострук-турных пор проводилось при комнатной температуре в следующих стадиях: первая стадия процесса анодирования; удаление оксидных слоев полученных в результате первой стадии процесса анодирования; вторая стадия процесса анодирования; удаление алюминия из нижней стороны наноструктурированной пористой пленки; раскрытие пор нижней стороны пленки. В каждом этапе образец промывался дистиллированной водой и просушивались с помощью специальных бумаг.
Первая стадия анодирования проводилась в ортофосфоной кислоте с концентрацией 0,4 М при комнатной температуре, использовалось напряжение 70В в интервале 20-30 мин. Формировавшиеся пористые оксидные слои удалялись в растворе Н3РО4/СЮ3/Н2О при температуре 70-80 0С в течении 1 часа. Вторая стадия процесса анодирования проводилась при аналогичных условиях. Диаметр полученных пор оксида алюминия - 10 мм. Для стабильности процесса анодирования в электролите использовалась магнитная мешалка.
Таблица 1
:са анодирования
Электролит Напряжение, В Температура, 0С Время
1-я стадия, мин 2-я стадия, мин
0.4 М Н3РО4 70В 19-210С 30 мин 90 мин
0.4 М (СООН)2 70В 19-210С 15 мин 30 мин
Для осуществления процесса анодирования использовался источник напряжения 70В, в зависимости от приложенного напряжения подбиралось время анодирования. А при высоком значении напряжения (>100В) можно получать наново-локна пористого оксида алюминия.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Оптическая микрофотография и нанострук-турные особенности ПОА были исследованы с помощью сканирующего электронного микроско-
па Quanta 3D 200i (FEI) и оптического микроскопа DM 6000 (Leica, Германия).
После каждой стадии процесса анодирования структурные параметры и формируемая морфология пленок контролировались с помощью того же микроскопа. На рисунке 1 (а, б) представлены СЭМ картины образцов, полученные на различных электролитах. Здесь можно увидеть основные параметры пористой пленки: диаметр пор (нм), плотность расположения пор. Основные параметры: U=70B, t=15-90 минут, Т= 19 - 210С.
ЯВИДДЙМИИ
- f • .
HV mag о 15.00 kV 50 ООО X mode WD HFW '- Custom 10.1 mm 5 97 um -2_ym — KazNU ||ЭТтадйТ mod™ WD | HFW — 15.00kV|50 000x Custom 10.1 тт|5.97мт! -2 pm- 1 KazNU
а) б)
а - и=70В, t=30 минут, Т= 210С, электролит: 0.4 М (СООН)2 б - и=70В, t=90 минут, Т= 190С, электролит: 0.4 МН3РО4 Рисунок 1 - СЭМ изображение пленок ПОА
Основной параметр определяющий структурные особенности пор это напряжение. На графиках 2 (а,б) показаны экспериментально полученные зависимости плотности тока от времени анодирования в 0.4 М растворе Н3РО4 (2а) и 0.4 М растворе (СООН)2 (2б). Время анодирования 15 - 90 минут.
С увеличением величины напряжения увеличивается начальное значение анодного тока, но в процессе анодирования анодный ток постепенно уменьшается.
а) зависимость тока от процесса времени (90 минут, при Т= 19оС)
б) зависимость тока от процесса времени (30 минут, при Т= 21оС) Рисунок 2 - График зависимости анодного тока от времени анодирования
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате проведенных исследований определены: оптимальные параметры для получения качественных мембран из пористого оксида алюминия с толщиной от 3-25мкм.
Определенные параметры пор влияют на свойства и структурные параметры пленки.
Методом электронной микроскопии исследованы структурные особенности пор.
Выявлено, что равномерность роста пор зависят от химической чистоты исходного алюминия.
Список литературы
1. Moshnikov V. A., Gracheva I. E., Lenshin A. S., Spivak Y. M., Anchkov M. G., Kuznetsov V. V., Olchowik J. M. Porous silicon with embedded metal oxides for gas sensing applications // Journal of non-crystalline solids. 2012. Т. 358. № 3. с. 590-595
2. Спивак Ю. М. Нано структурированные материалы. Особенности получения и диагностики // Известия высших учебных заведений России.
Радиоэлектроника. 2013. Т. 6. с. 54-64.
3. Травкин П. Г., Воронцова Н. В., Высоцкий С. А., Леньшин А. С., Спивак Ю. М., Мошников В.
A. Исследование закономерностей формирования структуры пористого кремния при многостадийных режимах электрохимического травления // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2011. № 4. с. 3-9.
4. Муратова, Е. Н., Спивак Ю. М., Мошников В. А., Петров Д. В., Шемухин А. А., Шиманова
B. В. Влияние технологических параметров получения слоев нанопористого А1203на их структурные характеристики // Физика и химия стекла. 2013. Т. 39. № 3. с. 473-480.
5. Спивак, Ю. М., Муратова Е. Н., Петенко О. С., Травкин П. Г Определение параметров пористой структуры в рог^ и рог-А1203 путем компьютерной обработки данных растровой и атомно-силовой микроскопии // Молодой ученый. 2012. № 5. с. 1-4.
6. Основы водородной энергетики / под ред. В. А. Мошникова и Е. И. Терукова. 2-е изд. СПб:
изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2011. 288 с.
7. Zimina, Т. М., Luchinin V. V., Mukhurov N. I. et al. Functional Elements of Laboratory-on-a-Chip for Express Identification and Antimicrobial Susceptibility Testing of Bacterial Respiratory Tract Infections // Proc. 2010 Lab-on-a-Chip European Congr., Abstract 116. Dublin, 24-27 May, 2010.
8. Васильев, А. А., Гогиш-Клушин С. Ю., Гогиш-Клушина О. С., Харитонов Д. Ю. Газовые датчики с тонкими мембранами из нанокристалли-ческого оксида алюминия в качестве чувствительных элементов // Датчики и Системы. 2006. № 10. с. 4-9
9. Александрова, О. А., Максимов А. И., Ма-раева Е. В., Матюшкин Л. Б., Мошников В. А., Мусихин С. Ф., Тарасов С. А Синтез и самоорганизация квантовых точек сульфида свинца для
люминесцентных структур, полученных методом испарения коллоидного раствора. // Нано- и микросистемная техника. 2013. № 2. с. 19-23.
10. Муратова, Е. Н., Шпаковский А. И Компьютерное моделирование роста перколяционного кластера на пористой поверхности. // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2013. Т. 5. с. 28-35.
11. Nucleation and growth of the nanostructured anodic oxides on tantalum and niobium under the porous alumina film / A. Mozalev [et al.] // Electro-chimica Acta. - 2003. - № 48. - P. 3155-3170.
12. Sulka, G. D. Highly Ordered Anodic Porous Alumina Formation by Self_Organized Anodizing / G. D. Sulka // Nanostructured Materials in Electrochem-istry/ Edited by Ali Eftekhari. - Weinheim. : WILEY _VCH, 2008. - P. 1-116.
SYNTHESIS AND STUDY OF PHOTODEGRADATION PROCESSES OF NANOSTRUCTURED MATERIALS BASED ON ELEMENTS OF AII BVI GROUP
Nurbolat SH.T.
undergraduate
Assembayeva A.R.
undergraduate Kadir M.F. undergraduate Yskak M.T. bachelor
Kalkozova ZH.
Candidate of Physical and Mathematical Sciences Al-Farabi Kazakh National University, Almaty, Kazakhstan
ABSTRACT
TiO2 and ZnO powders were prepared by hydrothermal synthesis of nanostructured materials. Their photo-catalytic activity and structure were examined. There were also compared the photocatalytic properties of the synthesized nanopowders and ready. photodegradation rate was measured for the organic compound TiO2 and ZnO - dye Rhodamine B. It was confirmed that originally not transparent solution of Rhodamine B becomes transparent as a result of irradiation for 3 hours. These changes can be seen from the change in absorbance spectra of constructing through the irradiation solution of Rhodamine B with the addition of TiO2 and ZnO powders.
Keywords: hydrothermal synthesis, photocatalysis, photodegradation, ultraviolet irradiation, organic dyes, optical density.
Introduction
In our days, one of the most debated topics is the pollution of water and its cleaning path. The most important pollutants of freshwater are a variety of chemical dyes [1].
The heterogeneous photocatalysis used as a cheap technology of water purification from heavy metals and organic impurities and various dyes. Using sunlight and ultraviolet radiation makes photocatalysis technology cheap, environmentally friendly, and are allowed to be available for use worldwide. Photocatalysis has been successfully used in many developing countries during bleaching and freshwater disinfection [2-4]. Use of ZnO and TiO2 as a catalyst in FC processes does not require sophisticated equipment and it is advantageous for the settlements without electricity [3,4].
ZnO and TiO2 An Bvi compounds belonging to the group have unique properties. Such properties of TiO2
as above the high strength, high ability for redox reactions, price affordability promote its use as a catalyst [5-7].
Reduction of ZnO nano particle size to the appropriate area of excitons leads to the appearance of defects at the quantum level and thus changing its photophysical and photochemical properties. For this reason, zinc oxide is attributed to a number of particularly promising photocatalysts [8-10].
Experimental part:
Synthesis of ZnO and TiO2 particles
In the synthesis of ZnO nanopowders hydrothermal synthesis we used next reagents: copper nitrate hexahydrate (Zn (NO3) 2 • 6H2O) and methenamine (C6H12N4). After weighing the desired amount of the reactants are dissolved separately in a sealed container with a magnetic stirrer. After dissolution, they are heated at a temperature of 90°C
