Adolphe Foyet

Electrochemical deposition of Cobalt, Nickel-Cobalt, Nickel-Copper and Zinc-Nickel nanostructured materials on aluminum by template selforganization

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt der Naturwissenschaftlichen Fakultät II der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 24.09.2007

Abstract
In der vorliegenden Arbeit wurde nanostrukturiertes Aluminiumoxid auf Aluminium durch doppelte Anodisation einer Aluminiumfolie in 0.3 M Oxalsäure erzeugt. Der Temperatureinfluß des Elektrolyten (Oxalsäure) auf die Struktur der Aluminiumoxid-Membran wurde untersucht. Bei 10°C bildet sich eine hoch geordnete Membran hexagonaler Struktur mit konstantem Porendurchmesser.
Hoch geordnete Cobalt- und Legierungsstrukturen wurden in den Aluminiumoxid-Membranstrukturen mit intakter Barriereschicht aus wässrigen Lösungen kathodisch abgeschieden. Es wurden Schichten aus Nanodrähten von 1,2 µm Länge mit einer Periodizität von 125 nm (Distanz der Partikel) erhalten.
Die Kombination der Aluminiumoxidmembran mit lyotropen Flüssigkristallen (Doppel- Template-Abscheidung) führte zu Materialien mit Substrukturen. Die columnaren Phasen der Flüssigkristalle ordneten sich in den Poren der Aluminiumoxid-Membran an und führten bei der galvanischen Abscheidung zu Nanostrukturen. Zwei Tenside unterschiedlicher Struktur wurden verwendet, ein nichtionisches Tensid Brij 78 (Durchmesser der Kolumnen 8 nm) und ein ionisches Tensid CTAB (Φ ~ 4 nm). Die in Gegenwart von CTAB abgeschiedenen Filme bestanden aus sehr kleinen Partikeln.
Mit sinkender Partikelgröße wird das Korrosionspotential zu negativeren Werten verschoben. Die anodischen Polarisationskurven zeigten charakteristische Peaks für die Metalloxidation (Cobalt) und für verschiedene Legierungsphasen im Falle von Mehrphasenlegierungen (ZnNi). Die porösen Elektrodenoberflächen wurden mittels Impedanzmessungen charakterisiert. Durch Mott-Schottky Analysen konnten die Halbleitereigenschaften der Schichten nachgewiesen werden.

In the present work, a thin aluminum oxide was prepared on aluminum by double anodization of the aluminum foil in 0.3 M oxalic acid. The influence of the electrolyte (oxalic acid) temperature on the structure of alumina membrane was studied. The membrane anodized at 10 °C had a long-range organization of hexagonal pores with uniform diameter. Highly ordered cobalt and alloy nanomaterials were deposited from aqueous solution into the pore of this alumina membrane with intact barrier layer. Nanorods of about 1.2 µm in length with a periodicity (center-to center spacing between two close particles) of about 125 nm were grown in the pores of aluminum oxide.
The combination of this alumina membrane with a lyotropic liquid crystal containing metallic ions (double template deposition) leads to materials with many substructures. Many columns of liquid crystals went into one pore of alumina; after deposition and removal of the surfactant, the nanorods showed many subdivisions. Two surfactants with different molecular size were investigated; the hexagonal phase of a non ionic surfactant (Brij 78) with a diameter of columns close to 8 nm and that of an ionic surfactant (CTAB) with smaller (Φ ~ 4 nm) columns. The film deposited from CTAB consisted of very small nanoparticles and their corrosion potential shifted to more negative value.
The polarization curves gave various peaks characteristic of metal oxidation in the case of single element (Cobalt) or phase transition during alloy oxidation in the case of multiphase alloy such as ZnNi. The impedance curves were typically characteristic of porous electrodes. The Mott-Schottky analysis of the space charge capacitance data revealed that the films of metal or alloy nanomaterials behave like semiconductor with high dopant (oxygen vacancies or cation vacancies) concentration.

Keywords:
Aluminiumoxid, Flüssigkristalle, Doppel-Template-Abscheidung, Nanodrähte, Nanostruktur, Substruktur, Korrosion, Halbleiter, Legierungen, Impedanzmessungen

Aluminum oxide, liquid crystal, double template, nanorods, nanoparticles, substructures, semiconductor, corrosion, alloy, impedance spectroscopy

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Inhaltsverzeichnis
Front page, Contents, Abbreviations (2, i-iv)
1. Introduction (1-3)
2. Preparation and characterization of nanoparticles and nanofilms (4-16)
3. Experimental parts (17-22)
4. Template deposition of cobalt nanoparticles (23-74)
5. Double template deposition and characterization of alloys nanoparticles (75-100)
6. Summary (101-103)
7. References (104-110)
8. Appendix (111-122)
Publications and conferences