Анодирование алюминия в вязком электролите для формирования одномерных фотонных кристаллов

In the paper, the possibility to produce anodic aluminum oxide (AAO) featuring one-dimensional photonic crystal along the normal to the surface is shown. The AAO structure is represented by alternating layers of different porosity and is formed in a viscous electrolyte based on sulfuric acid and ethylene glycol at the periodically varying from high (1.8 mA/cm2) to low (0.4 mA/cm2) current density with a rectangular pulse shape. The pore sizes and interpore distance, pore density and porosity, thickness and period of the AAO structure have been determined. The specular reflection spectra features for single layers that make up the AAO structure and for one-dimensional photonic crystals structures consisting of 165 periods have been studied. An increase in the porosity of the upper layers of the structure due to chemical etching of the pores during the oxide growth is noted. It is shown that the invariance of the spectral position of the photonic band gap for AAO structures is achieved by a 0.1 % decrease in charge at each subsequent anodizing cycle during their formation, which leads to a decrease in the period of the structure in the lower layers, compensating for the increase in the upper layers porosity. The reflection spectra have been analyzed for the incidence angles of 10° and 30° and used to calculate the period of the structure and the effective refractive index. The effective refractive index of the single layers that make up the AAO structure is calculated using the optical Fabry–Perot oscillations. For AAO with the properties of one-dimensional photonic crystal, a green color is observed at normal light incidence, and an iridescent color is observed when the angle changes. AAO can be used as a decorative coating on the housings of electronic devices (tablets, laptops, phones, etc.) and when creating design objects made of aluminum and its alloys.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

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОДЛОЖЕК АНОДНОГО ОКСИДА АЛЮМИНИЯ КАК ОСНОВЫ ПОРОГОВЫХ ДЕТЕКТОРОВ

The results of optical and photoluminescence properties of anodic alumina formed in the acidic electrolyte and subjected to high-temperature heat treatment are described in article. It was found that the photoluminescence properties of anodic alumina determined by the oxygen vacancies with different values of the charge states and impurities in the form of acid residues. As a basis of threshold detectors in terms of the mechanical strength the substrates formed in the oxalic electrolyte and modified by heat treatment at 800 °C are preferred.Описываются результаты исследования оптических и фотолюминесцентных свойств анодного оксида алюминия, сформированного в кислотных электролитах и подвергнутого высокотемпературной термообработке. Установлено, что фотолюминесцентные свойства анодного оксида алюминия определяются вакансиями кислорода с отличающимися значениями зарядовых состояний и примесями в виде остатков кислот. В качестве основы пороговых детекторов с точки зрения механической прочности предпочтительны подложки, сформированные в щавелевокислом электролите и модифицированные термообработкой при 800 °С

ПОРОГОВЫЙ СЕНСОР ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

The original design of a sensor control of ionizing radiations is resulted on the basis of dielectric substrates with periodic system of micro apertures. Substrates are executed from nanoporous anodic alumina. Micro apertures are generated by a photolithography with the subsequent etching oxide and filled with the help sol-gel of a method sensitive to ionizing radiation by layers from CdS.Приводится оригинальная конструкция сенсора ионизирующих излучений на основе диэлектрических подложек с периодической системой микроотверстий. Подложки выполнены из нанопористого анодного оксида алюминия. Микроотверстия сформированы фотолитографией с последующим травлением оксида и заполнены с помощью золь-гель метода чувствительными к ионизирующему излучению слоями из CdS

Исследование влияния термообработки на микротвердость и износостойкость покрытий из анодного оксида алюминия, модифицированных наноалмазами

Anodizing of aluminum and its alloys is widely used in various fields of science and technology. The process of modifying porous anodic aluminum oxide with ultradispersed diamond (UDD) particles to improve the mechanical characteristics of coatings requires additional study. UDD was modified by consistent heat treatment at 40 °C and 120 °C. The results of the UDD surface modification were controlled by IR spectroscopy. The surface state analysis was carried out using the PMT-3 microhardnessmeter, the SolverPro P47 atomic-force microscope (AFM), and the experimental probe-electrometry device. One of the ways to improve the mechanical characteristics of such coatings is the use of ultradispersed diamonds with respective pretreatment of their surface. The article presents the results of a study of the influence of additives of ultradispersed diamonds with different functional surface composition in an acid electrolyte to form coatings of porous anodic alumina on the surface of AMg-2 aluminum alloy substrates by electrochemical oxidation. An increase in the microhardness and wear resistance of anodic oxide coatings formed on aluminum alloy substrates after various post-growth heat treatments is noted. It is shown that using a combined method based on doping anodic alumina in the process of synthesis with modified ultradispersed diamonds and post-growth annealing of the coatings obtained in vacuum at T = 500 °C, it is possible to obtain a composite material that is 2 times higher in hardness and 3 times higher in wear resistance compared to the initial coating. The research results can be used to create a new generation of radiation-resistant heat-removing bases, nano and micromechanical devices, elements of passive and active electronics, high-quality parts for spacecraft and satellites on modern composite materials.Приводятся результаты исследования влияния добавок ультрадисперсных алмазов (УДА) с различным функциональным составом поверхности в кислотный электролит для формирования покрытий из пористого анодного оксида алюминия на поверхности подложек из сплава алюминия АМг-2 путем электрохимического окисления. УДА модифицировались последовательной термообработкой при 40 °С и 120 °С. Результаты модификации поверхности УДА контролировались методом ИК-спектроскопии. Анализ модифицированной поверхности проводился с помощью микротвердомера типа ПМТ-3, атомно-силового микроскопа SolverPro P47 и экспериментального электрометрического прибора. Отмечается повышение микротвердости и износостойкости покрытий из анодного оксида, сформированных на подложках из алюминиевого сплава, после различных постростовых термообработок. Показано, что, используя комбинированный способ, который основан на легировании анодного оксида алюминия в процессе синтеза модифицированными УДА и постростового отжига покрытий в вакууме при Т = 500 °С, можно создать композиционный материал, обладающий в 2 раза более высокой твердостью и в 3 раза более высокой износостойкостью по сравнению с исходным покрытием. Результаты исследований могут быть использованы при создании нового поколения радиационно-стойких теплоотводящих оснований, нано- и микромеханических устройств, элементов пассивной и активной электроники, высококачественных деталей для космических аппаратов и спутников на современных композиционных материалах

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ПОДЛОЖЕК ДЛЯ СЕНСОРА РАДИОАКТИВНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

The design and technological features of the formation of substrates with a periodic system of microsensors for the construction of radiation is described. Series of operations to create such substrates by anodic alumina are shown.Описываются конструктивно-технологические особенности формирования подложек с периодической системой микроотверстий для построения сенсоров радиоактивного излучения. Приводится последовательность операций по созданию таких подложек на основе анодного оксида алюминия

КОНСТРУКЦИЯ ДАТЧИКОВ ПОТОКОВ КОСМИЧЕСКОЙ ПЛАЗМЫ НА ОСНОВЕ ЦИЛИНДРА ФАРАДЕЯ

Important tasks of modern space research are the study and continuous observations of the processes of cosmic and meteorological «weather». One of the electronic devices for carrying out such researches is a plasma sensor based on Faraday cup. The purpose of the work was to develop a constructive variant of the Faraday cup with precision sensitive (selective) elements in the form of metal grid microstructures and a four-sector collector, which has no analogues in the world technology.For the formation of grid nickel microstructures, a process has been developed for creating a matrix of nanoporous anodic aluminum oxide by photolithography as a precision shape (template) for depositing nanostructured metal layers. Methods for conducting testing for mechanical (vibrational) and thermocyclic impact that satisfies the requirements for space instruments have been developed.The grid microstructures are formed in a unified technological cycle with the production of ring-holders along the perimeter of the grid, with a square 20 × 20 μm2 section of the web and square cells with a size of 1 × 1 mm2. The transparency of each of the grids was more than 90 % for the normal incidence of light. Dimensions of holders and grid microstructures: internal diameters (34, 47, 60) ± 0.1 mm, external diameters of rings (42, 55, 68) ± 0.1 mm, respectively. The weight of one grid was less than 50 mg.The test results demonstrated the operability of the developed grid microstructures with multiple thermocyclic actions from –50 to +150 °C and vibrational and static overloads specific for space flights. Instruments for plasma measurements in the near of the Earth and in the interplanetary space will comprise six sensors with different angular orientations. This will make it possible to detect ions of cosmic plasma in a solid angle of about 180°.Важными задачами современных космических исследований являются изучение и непрерывные наблюдения процессов космической и метеорологической «погоды». Одним из электронных приборов для проведения таких исследований является датчик плазмы на основе цилиндра Фарадея. Цель работы состояла в разработке конструктивного варианта цилиндра Фарадея с прецизионными чувствительными (селектирующими) элементами в виде металлических сеточных микроструктур и четырехсекторным коллектором, не имеющего аналогов в мировой технике.Для формирования сеточных никелевых микроструктур разработан процесс создания с помощью фотолитографии матрицы из нанопористого анодного оксида алюминия как прецизионной формы (шаблона) для осаждения наноструктурированных металлических слоев. Разработаны методы проведения тестовых испытаний на механические (вибрационные) и термоциклические воздействия, соответствующие требованиям к космическим приборам.Сеточные микроструктуры сформированы в едином технологическом цикле с кольцами-держателями по периметру сетки, с квадратным 20 × 20 мкм2 сечением полотна и ячейками размером 1 × 1 мм2. Прозрачность каждой из сеток при нормальном падении света составила более 90 %. Габаритные размеры держателей и сеточных микроструктур: внутренние диаметры (34, 47, 60) ± 0,1 мм, внешние диаметры колец (42, 55, 68) ± 0,1 мм соответственно. Масса одной сетки составила менее 50 мг.Результаты испытаний продемонстрировали работоспособность разработанных сеточных микроструктур при многократных термоциклических воздействиях от –50 до +150 °С и вибрационных и статических перегрузках, характерных при космических полетах. В составе приборов для проведения плазменных измерений в окрестности Земли и в межпланетном пространстве будут использованы шесть датчиков с различной угловой ориентацией. Это обеспечит возможность фиксирования ионов космической плазмы в телесном угле около 180°

THE OPTICAL PROPERTIES OF ANODIC ALUMINA SUBSTRATES AS THE BASIS OF THRESHOLD DETECTORS

The results of optical and photoluminescence properties of anodic alumina formed in the acidic electrolyte and subjected to high-temperature heat treatment are described in article. It was found that the photoluminescence properties of anodic alumina determined by the oxygen vacancies with different values of the charge states and impurities in the form of acid residues. As a basis of threshold detectors in terms of the mechanical strength the substrates formed in the oxalic electrolyte and modified by heat treatment at 800 °C are preferred

THRESHOLD SENSOR CONTROL OF IONIZING RADIATIONS

The original design of a sensor control of ionizing radiations is resulted on the basis of dielectric substrates with periodic system of micro apertures. Substrates are executed from nanoporous anodic alumina. Micro apertures are generated by a photolithography with the subsequent etching oxide and filled with the help sol-gel of a method sensitive to ionizing radiation by layers from CdS

FEATURES OF SUBSTRATES FORMATION FOR X-RAY RADIATION SENSOR

The design and technological features of the formation of substrates with a periodic system of microsensors for the construction of radiation is described. Series of operations to create such substrates by anodic alumina are shown