Utilization of porous anodic alumina for fabrication of nanostructured layers and their photoelectrochemical and optical applications

Abstract

Porézní anodická alumina (PAA) je oxidová vrstva vytvořená anodickou oxidací hliníku, která má široké průmyslné využití. Její popularita zaznamenala exponenciální nárůst zejména v oblasti nanotechnologií, k čemu přispělo objevení jejího samouspořádání do struktury o nanorozměrech připomínající včelí plástev. Její jednoduchá příprava a laditelné vlastnosti z ní tvoří levný způsob výroby nanostruktur. Ve stejném duchu se tato disertační práce zabývá metodami přípravy funkčních nanostruktur za využití PAA. První část je zaměřena na výrobu pole nanosloupců z oxidu titaničitého (TiO2) a jejich možné použití jako fotoanody pro štěpení vody. TiO2 nanostloupce jsou tvořeny anodizací hliníkové vrstvy na titanovém substrátu, také nazývanou PAA-asistovaná anodizace. Táto studie demonstruje elektrochemické vlastnosti a fotoelektrochemickou aktivitu nano sloupců vytvořených z dusíkem obohacených substrátů, které byly následně různě termálně modifikovány. Hlavním poznatkem studie je, že špatné vlastnosti jsou způsobeny dutou morfologií nanosloupců. Tento poznatek vedl k rozsáhle studii zabývající se dopadem anodizačných podmínek na morfologii ale i stabilitu vytvořených nanosloupců, jejímž výsledkem byla nová strategie anodizace. Druhá část prezentuje výrobní proces přípravy uspořádané vrstvy zlatých nanočástic na transparentním substrátu pro jejich použití jako optického senzoru využívající efekt rezonance lokalizovaných povrchových plasmonů. Základem této multidisciplinární metody je využití kombinace samouspořádání PAA k výrobě šablony a následného procesu řízeného smáčení v pevné fázi tenké vrstvy zlata. Táto práce detailně popisuje technologické aspekty přípravy; od samotné výroby šablon z hliníku, přes vytváření zlatých nanočástic, až po jejich přenos na transparentní substrát. Na závěr této práce jsou kompozity z nanočástic charakterizovány, přičemž je porovnána jejich citlivost na změnu indexu lomu okolí a jejich stálost. Ze závěrů vyplývá, že tato poměrně velkoplošná a levná metoda je konkurence schopná i v oblasti senzorické citlivosti.Porous anodic alumina (PAA) is an oxide layer formed by anodic oxidation of aluminium. In addition to its vast industrial use, its popularity has exponentially expanded into the field of nanotechnology due to the discovery of the self-ordering growth of PAA, leading to a honeycomb-like nanostructure. Together with a simple fabrication and tuneable properties, PAA represents an inexpensive alternative to the nanoscale world. In the same spirit, this PhD thesis deals with methods utilizing the PAA to fabricate functional nanostructures. The first part of the thesis is focused on the PAA-assisted formation of titanium dioxide (TiO2) nanocolumn arrays and their possible application as photoanodes for the water-splitting reaction. TiO2 nanocolumns are formed by anodisation of superimposed Al layer over titanium substrate being so-called ‘PAA-assisted anodisation’. The present study demonstrates the electrochemical properties and photoelectrochemical performance of nanocolumns formed from nitrogen-enriched substrates modified by various thermal treatments. The major finding was that their hollow morphology causes their poor performance. This issue was addressed by developing a novel anodising strategy that originates from the extensive study of anodising parameters and their effect on the morphology and stability of nanocolumns. The second part demonstrates the fabrication of well-ordered gold nanoparticles (AuNPs) on a transparent substrate as a localized surface plasmon resonance (LSPR) sensor element. A key-stone of this multidisciplinary method is a combination of a self-ordering behaviour of PAA that produces the template for controlled solid-state dewetting (SSD) of a subsequently deposited thin film of gold. This work includes the detailed technical aspects of complete fabrication, starting with the template production from an aluminium sheet to forming AuNPs and their transfer to a transparent substrate. This part is concluded with the characterization of fabricated AuNP nanocomposites with a practical comparison of their bulk refractive index sensitivity and stability in time. Results show this large-scale and inexpensive technique can easily compete with other, more demanding, AuNP fabrication technologies.