Анодирование алюминия в вязком электролите для формирования одномерных фотонных кристаллов

Показана возможность формирования анодного оксида алюминия (АОА) со свойствами одномерного фотонного кристалла вдоль нормали к поверхности. Структура АОА представлена чередующимися слоями различной пористости и сформирована в вязком электролите на основе серной кислоты и этиленгликоля при периодически изменяющейся плотности тока с 1,8 на 0,4 мА/см² с прямоугольной формой импульса. Определены размеры пор и расстояние между ними, плотность пор и пористость, толщина и период структуры АОА. Изучены особенности спектров зеркального отражения одиночных составляющих структуру АОА слоев и структур одномерных фотонных кристаллов, сформированных из 165 периодов, каждый из которых соответствовал росту оксида при плотностях тока 1,8 и 0,4 мА/см². Отмечено увеличение пористости верхних слоев структуры вследствие химического травления пор в процессе роста оксида. Показано, что неизменность спектрального положения фотонной запрещенной зоны для структур АОА достигается уменьшением заряда на каждом последующем цикле анодирования на 0,1 % при их формировании, что приводит к уменьшению периода структуры в нижних слоях, компенсируя рост пористости в верхних слоях. Спектры отражения проанализированы для углов падения 10° и 30° и использованы для расчета периода структуры и эффективного показателя преломления. Эффективный показатель преломления одиночных составляющих структуру АОА слоев рассчитан с использованием оптических осцилляций Фабри–Перо. Для АОА со свойствами одномерного фотонного кристалла при нормальном падении света наблюдается зеленая окраска, а при изменении угла – радужная. АОА может быть использован как декоративное покрытие на корпусах электронных приборов (планшеты, ноутбуки, телефоны и др.) и при создании объектов дизайна из алюминия и его сплавов.

1. Masuda, H. Ordered metal nanohole arrays made be a two-step replication of honeycomb structures of anodic alumina / H. Masuda, K. Fukuda // Science. – 1995. – Vol. 268, № 5216. – P. 1466–1471. https://doi.org/10.1126/science.268.5216.1466

2. Lee, W. The anodization of aluminum for nanotechnology applications / W. Lee // JOM: Journal of the Minerals, Metals and Materials Society. – 2010. – Vol. 62, № 6. – P. 57–63. https://doi.org/10.1007/s11837-010-0088-5

3. Santos, A. Nanoporous anodic alumina photonic crystals: fundamentals, developments and perspectives / A. Santos // J. Mater. Chem. C. – 2017. – Vol. 5, № 23. – P. 5581–5599. https://doi.org/10.1039/C6TC05555A

4. Mukhurov, N. I. Ordered Growth of Anodic Aluminum Oxide in Galvanostatic and Galvanostatic-Potentiostatic Mode / N. I. Mukhurov, I. V. Gasenkova, J. M. Andrukhovich // JMSN: Journal of Materials Science and Nanotechnology. – 2014. – Vol. 1, iss. 1. – P. S110 (1–6). https://doi.org/10.15744/2348-9812.1.S110

5. Ramana Reddy, P. Effect of electrolyte concentration on morphological and photoluminescence properties of free standing porous anodic alumina membranes formed in oxalic acid / P. Ramana Reddy, K. M Ajith, N. K Udayashankar // Mater. Sci. Semicond. Process. – 2020. – Vol. 106. – Art. ID 104755. https://doi.org/10.1016/j.mssp.2019.104755

6. Спектры пропускания и оптические свойства мезопористого фотонного кристалла на основе анодного оксида алюминия / В. С. Горелик [и др.] // Оптика и спектроскопия. – 2018. – Т. 124, вып. 2. – С. 171–177. https://doi.org/10.21883/OS.2018.02.45519.177-17

7. Transmission spectra of one-dimensional porous alumina photonic crystals / V. S. Gorelik [et al.] // Photonics and Nanostructures – Fundamentals and Applications. – 2018. – Vol. 32. – P. 6–10. https://doi.org/10.1016/j.photonics.2018.08.004

8. Kushnir, S. E. Anodizing with voltage versus optical path length modulation: a new tool for the preparation of photonic structures / S. E. Kushnir, T. Yu. Pchelyakova, K. S. Napolskii // J. Mater. Chem. – 2018. – Vol. 6, № 45. – P. 12192–12199. https://doi.org/10.1039/C8TC04246B

9. Rapid fabrication of iridescent alumina films supported on an aluminium substrate by high voltage anodization / Chunxin Sun [et al.] // Opt. Mater. – 2022. – Vol. 104. – Art. ID 109937. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2020.109937

10. Segawa, H. Structural colors of laminated alumina films prepared by ac oxidation in oxalic acid solution / H. Segawa, K. Wada // Mater. Chem. Phys. – 2020. – Vol. 250. – Art. ID 123031. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2020.123031

11. Юрасов, А. Н. Теория эффективной среды как инструмент анализа оптических свойств нанокомпозитов / А. Н. Юрасов, М. М. Яшин // Рос. технол. журн. – 2018. – Т. 6, № 2. – С. 56–66. https://doi.org/10.32362/2500316X-2018-6-2-56-66

12. Tunable Nanoporous Anodic Alumina Photonic Crystals by Gaussian Pulse Anodization / L. K. Acosta [et al.] // ACS Appl. Mater. Interfaces. – 2020. – Vol. 12, № 17. – P. 19778–19787. https://doi.org/10.1021/acsami.9b23354

13. Engineering of Hybrid Nanoporous Anodic Alumina Photonic Crystals by Heterogeneous Pulse Anodization / S. Y. Lim [et al.] // Sci. Rep. – 2018. – Vol. 8, № 1. – Art. ID 9455. https://doi.org/10.1038/s41598-018-27775-6

14. Structural Engineering of Nanoporous Anodic Alumina Photonic Crystals by Sawtooth-like Pulse Anodization / C. S. Law [et al.] // ACS Appl. Mater. Interfaces. – 2016. – Vol. 8, № 21. – P. 13542−13554. https://doi.org/10.1021/acsami.6b03900

15. Napolskii, K. S. Control of high-order photonic band gaps in one-dimensional anodic alumina photonic crystals / K. S. Napolskii, A. A. Noyan, S. E. Kushnir // Opt. Mater. – 2020. – Vol. 109. – Art. ID 110317. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2020.110317

16. Petukhov, D. I. Permeability of anodic alumina membranes with branched channels / D. I. Petukhov, K. S. Napolskii, A. A. Eliseev // Nanotechnology. – 2012. – Vol. 23, № 33. – P. 5601. https://doi.org/10.1088/0957-4484/23/33/335601

17. The effect of anodizing temperature on structural features and hexagonal arrangement of nanopores in alumina synthesized by two-step anodizing in oxalic acid / L. Zaraska [et al.] // Thin Solid Films. – 2013. – Vol. 534. – P. 155–161. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2013.02.056

18. Application of infrared interferometry for quantitative analysis of chemical groups grafted onto the internal surface of porous silicon nanostructures / S. A. Alekseev [et al.] // J. Phys. Chem. C. – 2007. – Vol. 111, № 42. – P. 15217–15222. https://doi.org/10.1021/jp0712452

19. Controlling the color and effective refractive index of metal-anodic aluminum oxide (AAO)-Al nanostructures: morphology of AAO / C. V. Manzano [et al.] // J. Phys. Chem. C. – 2017. – Vol. 122, № 1. – P. 957–963. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.7b11131

20. Optical properties of one-dimensional photonic crystals based on porous films of anodic aluminum oxide / V. S. Gorelik [et. al.] // Opt. Spectrosc. C. – 2016. – Vol. 120, № 4. – P. 534–539. https://doi.org/10.1134/S0030400X16040081

21. Кинетика формирования и растворения анодного оксида алюминия в электролитах на основе серной и селеновой кислот / А. И. Садыков [и др.] // Журн. неорган. химии. – 2021. – T. 66, № 2. – С. 265–273. https://doi.org/10.31857/S0044457X21020185