Kathrin Schwirn

Harte Anodisation von Aluminium mit verdünnter Schwefelsäure

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades Doktor-Ingenieur (Dr.-Ing.) vorgelegt dem Zentrum für Ingenieurwissenschaften der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 11.12.2008

Abstract
Nanoporöses selbstgeordnetes Al2O3 (anodisches Aluminiumoxid, AAO) ist eine vielseitige Plattform für verschiedenste Anwendungsmöglichkeiten in Bereichen wie Sensortechnik, Speicherung, Separation und die Herstellung eindimensionaler Nanostrukturen. Grundlage für die Herstellung von AAO mit hoher reproduzierbarer Qualität der Porenstrukturen ist der von H. Masuda und M. Fukuda entwickelte, so genannte, Zweistufenprozess. Dieser Prozess findet unter eng definierten Bedingungen statt, außerhalb derer keine Selbstordnung erzielt werden kann. Die niedrige Wachstumsrate des AAO unter diesen Prozessbedingungen führt zu lange Prozesszeiten von 3-5 Tagen. Letzteres ist ein großer Nachteil dieser Prozessführung. In den letzten Jahren ist die so genannte harte Anodisation (HA) interessant für die Herstellung definierter nanoporöser selbstgeordneter AAO geworden. Die HA ist ein Anodisationsprozess, welcher in der Industrie angewandt wird, um AAO mit einer hoher Härte und Verschleißfestigkeit herzustellen. Verschiedene Gruppen haben die HA modifiziert, um AAO mit hoher Qualität der Porenordnung, mit neuen Strukturparametern und mit deutlich kürzeren Prozesszeiten, als für den Zweistufenprozess benötigt, herzustellen. Das Ziel dieser Arbeit war es, die HA unter Verwendung von H2SO4 und die dadurch hergestellten AAO hinsichtlich ihrer Prozess- und Strukturparameter zu untersuchen. Die Strukturparameter wurden in Abhängigkeit von der Anodisationszeit, der Spannung, der Stromdichte und der Elektrolytkonzentration untersucht. Ein weiteres Ziel war es, die Rissbildung, die dabei im AAO auftritt, durch eine Modifizierung des HA-Prozesses zu verhindern. Im Rahmen dieser Arbeit wurde erstmals in AAO das Phänomen der oszillierenden Porendurchmesser beobachtete und beschrieben. Außerdem wird eine mögliche Anwendung der HA für gezieltes Strukturdesign von AAO in vorgestellt.

Nano porous self-ordered Al2O3 (anodic alumina, AAO) is a versatile platform for various applications in the field of sensor, separation and for the fabrication of one-dimensional nano structures. Base of the fabrication of AAO with a high reproducible quality of pore structure is the so called two-stepanodization developed by H. Masuda and M. Fukuda in 1995. This process takes place under closely defined conditions beyond those self-ordering can not be achieved. The low growth rate of AAO under these process conditions leads also to very long process intervals between 3-5 days. The latter is a big disadvantage of this process. In recent years the so called hard anodization (HA) becomes interesting for the fabrication of defined nano porous self-ordered AAO. The HA is a process which is used in the industry to manufacture hard and wear-resistant AAO. Several groups have modified the HA to fabricate AAO with high quality of pore order, new structure parameter and clearly shorter process intervals. The aim of this work was to analyse the HA using H2SO4 and the generated AAO in regard to process and structure parameters. The structure parameters were determined depending on anodization time, applied voltage, current density and electrolyte concentration. Furthermore, the HA was modified to prevent the crack development which occurs in the HA-AAO. Within this work the phenomenon of the oscillated pore diameter was observed and described for the first time. Moreover, a potential application of HA for a directed structure design was introduced.

Keywords:
poröses anodisches Aluminiumoxid, Selbstordnung, Nanoporen, harte Anodisation, Schwefelsäure, Templat, modulierte Porenstruktur, quantitative Körnungsanalyse, Bildverarbeitung

porous anodic aluminia, self-assembly, nanopores, hard anodization, sulfuric acid, template, modulated pore structure, quantitative grain analysis, image processing

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Inhaltsverzeichnis
Titelblatt, Inhaltsverzeichnis, Abbildungsverzeichnis, Tabellenverzeichnis, Abkürzungs- und Symbolverzeichnis (4, I-VII)
Einleitung (1-4)
1 Herstellung selbstgeordneter AAO: Stand der Forschung (5-17)
2 Charakterisierung des geordneten Porenwachstums mittels Bildanalyse (18-29)
3 Die direkte harte Anodisation mit verdünnter Schwefelsäure (30-48)
4 Rissbildung in AAO hergestellt durch direkte HA (49-61)
5 Die modifizierte harte Anodisation mit verdünnter Schwefelsäure (62-72)
6 Oszillation des Porendurchmessers (73-77)
7 Anwendung der harte Anodisation mit H2SO4 (78-81)
Zusammenfassung (82-84)
Literaturverzeichnis (85-94)
Veröffentlichungen