Диэлектрические свойства пористого оксида алюминия Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 537.226

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОРИСТОГО ОКСИДА АЛЮМИНИЯ А.Т. Косилов, Т.В. Пташкина, Д.В. Лиховая, О.А. Караева, Л.Н. Коротков

Изучены температурные зависимости действительной и мнимой компонент комплексной диэлектрической проницаемости пористых оксидных пленок, выращенных на фольгах А1 и A1-Mg, и влияние на них термической предыстории. Выявлен существенный вклад адсорбированной из воздуха воды на диэлектрические свойства исследуемых материалов

Ключевые слова: нанопоры, диэлектрическая проницаемость, оксид алюминия

В последние годы значительно вырос интерес к созданию наноструктур и исследованию их свойств. Это во многом связано с решением проблем получения новых конструкционных и функциональных материалов, обладающих качественно новыми характеристиками. Одними из таких материалов, пригодных для создания наноструктур, является пористый оксид алюминия (ПОА).

Известно, что электрофизические свойства пористых сред существенно отличаются от свойств тех же материалов в объемном состоянии. Диэлектрические свойства пористых пленок оксид алюминия в настоящее время слабо исследованы, а опубликованные в литературе данные являются противоречивыми. В связи с этим целью данной работы стало получение пористого оксида алюминия с регулярными порами определенного диаметра и исследование его диэлектрических свойств [1].

Для проведения экспериментов были подготовлены образцы пористых пленок на основе оксида алюминия, которые готовились с использованием фольг А1 и А1-М£ толщиной 0,1 мм. Пленки создавались анодированием [2]. Предварительно поверхность подвергалась механической полировке, очищалась ацетоном и дистиллированной водой. Анодное окисление образцов А1 и A1-Mg проводили в двухэлектродной электрохимической ячейке с использованием источника постоянного тока Б5-49 (V = 0 ^ 99,9 В, I = 0 ^ 999 мА). Вспомогательным электродом служила спираль из серебра. Первое анодирование проводили в 0,6 Моль кислоты С7Н6О68 [3] при постоянной плотности тока 1 А/дм2 в течение 10 мин. Полученную оксидную пленку погружали в смесь Сг03 + Н3Р04, нагретую до температуры 80 °С и выдерживали в ней, в течение 3 мин. Затем, при тех же условиях, проводили второй цикл анодирования длительностью 30 мин, который оп-

Косилов Александр Тимофеевич - ВГТУ, д-р физ.-мат. наук, профессор, е-шаИ: [email protected] Пташкина Татьяна Владимировна - ВГТУ, аспирант, е-шаЛ: [email protected] Лиховая Дарья Викторовна - ВГТУ, аспирант, тел. 89081301184, е-mai1: [email protected] Караева Ольга Анатольевна - ВГТУ, аспирант, е-mai1: [email protected]

Коротков Леонид Николаевич - ВГТУ, д-р физ.-мат. наук, профессор, е-mai1: [email protected]

ределял толщину оксидной пленки. Образцы промывали в дистиллированной воде и высушивали [4].

Изображения поверхностей и сколов образцов пленок, выращенных на фольгах А1 и A1-Mg, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ), представлены на рисунках 1 и 2.

б)

Рис. 1. СЭМ изображения образцов пленок, выращенных на фольге А1: поверхности (а) и скола (сечения) (б) после двухступенчатого анодирования

Оксидная пленка представляла собой плотно упакованные ячейки, имеющие форму «пчелиных сот», со средним диаметром порядка 60 нм и глубиной 10 мкм. В центре каждой ячейки имеется одна

пора, представляющая собой прямолинейный цилиндрический канал, диаметр которого мало зависит от электрических параметров оксидирования и определяется природой электролита. Основанием на-нопористых оксидных ячеек является сплошной барьерный слой, непосредственно примыкающий к поверхности металла [5].

Рис. 2. СЭМ изображения образцов пленок, выращенных на фольге A1-Mg: поверхности (а) и скола (сечения) (б) после двухступенчатого анодирования

Для изучения диэлектрических свойств оксидных пленок были использованы образцы пленок, выращенных на фольгах А1 и A1-Mg.

На поверхность образцов были нанесены серебряные электроды, которые помещали в термостат, где в ходе эксперимента температура изменялась от 312 К до 598 К и контролировалась с погрешностью не более 0,5 К.

Измерения действительной (є1) и мнимой (є") компонент комплексной диэлектрической проницаемости осуществлялись в режиме нагрева с помощью измерителя иммитанса Е7-20 на частоте измерительного поля 10 кГц [3].

Температурная зависимость действительной (а) и мнимой (б) компонент диэлектрической про-

ницаемости при нагреве до 573 К при частоте измерительного поля 10 КГц показана на рисунке 3.

Отожженные образцы были подвергнуты циклическому нагреву. Как видно из графика 1, в образце без термической предыстории, в начале нагрева мнимая и действительная компоненты комплексной диэлектрической проницаемости возрастают, образуя максимум в окрестностях 320 К.

Следует заметить, что данный максимум исчезает при предварительном отжиге (кривая 2).

В интервале 300 - 400 К диэлектрическая проницаемость слабо зависит от температуры, однако, при дальнейшем нагреве происходит значительный рост е' и е''.

После отжига образца в течение 20 минут, е' и е'' при дальнейшем нагреве остаётся стабильной во времени.

Рис. 3. Температурные зависимости действительной (а) и мнимой (б) компонент диэлектрической проницаемости. 1 - первый нагрев, 2 - второй нагрев

Повторные измерения диэлектрического отклика пористых пленок, проведенные после их пребывания на открытом воздухе в течение некоторого времени, показали, что пик на температурных зависимостях диэлектрической проницаемости возникает снова. Это свидетельствует о существенном вкладе в диэлектрический отклик воды, адсорбированной пористым веществом из воздуха.

Температурные зависимости мнимой и действительной компонент диэлектрической проницаемости для пленок, выращенных на фольге A1-Mg, аналогичны случаю пленок, выращенных на фольге А1.

Несмотря на термическую предысторию, выше 435 К температурные зависимости, полученные после серии нагревов, практически совпадают. В этой области температур имеет место значительный рост диэлектрической проницаемости и тангенса диэлектрических потерь. Можно предположить, что это обусловлено увеличением удельной электропроводности материала, которая носит термоактивационный характер в соответствии с формулой [7]:

-и/

а = а0 ■ е у кт,

где и - энергия активации, Т - температура, k - константа Больцмана.

11,0П

8,0-

0,0015 0,0020 0,0025 0,0030 0,0035

1/Т,К-1

Рис. 4. Зависимость 1по от обратной температуры.

1 - первый нагрев, 2 - второй нагрев

Действительно, зависимость lnc(1/T) для температуры выше 435 К, носит линейный характер (рисунок 4). В результате графических расчетов были получены следующие значения: U = 0.39 эВ, Со = 7,2-107 Ом-1-м-1.

Возможный механизм электропроводности Al2O3 обсуждается.

Работа выполнялась в рамках государственного контракта № 02.740.11.0399 (Федеральная целевая программа «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы) при поддержке РФФИ (Проекты N 08-02-01089-а, N 09-02-97503-р_центр_а).

Литература

1. Григорьев С.В. и др. Письма ЖЭТФ, 2007. Т.85. Вып. 9. С. 549-554.

2. Thonepson G.E. // Thin Solid Films, 1997. Vol. 297. P. 192-201.

3. Zaraska L., Sulka G.D., Jaskula M. // Journal of Physics: Conference Series 146 (2009) 012020

4. Яковлева Н.М. Дис. на соискание уч. степени д-ра физ.-мат. наук. Петрозаводск, 2003.

5. Белов А.Н., Гаврилов С.А., Шевяков В.И. Особенности получения наноструктурированного анодного оксида алюминия. // Российские нанотехнологии, 2006. №12. Т.1. С. 223-227.

6. Рогазинская О.В., Миловидова С.Д., Сидоркин А.С., Чернышев В.В., Бабичева Н.Г. Свойства нанопори-стого оксида алюминия с включениями триглицинсульфа-та и сегнетовой соли. // ФТТ. - 2009. Т. 51. Вып. 7. С 14301432.

7. Золотухин И.В., Калинин Ю.В., Стогней О.В. Новые направления физического материаловедения// Уч.пособие. - Воронеж: Издательство ВГУ, 2000. 360 с.

Воронежский государственный технический университет

DIELECTRIC PROPERTIES OF POROUS ALUMINUM OXIDE A.T. Kosilov, T.V. Ptashkina, D.V. Likhovaya, O.A.Karaeva, L.N.Korotkov

The temperature dependence of the real and imaginary components of complex dielectric constant of porous oxide films grown on Al and Al-Mg, foils and the effects of thermal history. The significant contribution of the adsorbed water from the air on the dielectric properties of the materials

Key words: nanopores, the dielectric constant, oxide of aluminum