全面积均匀多孔氧化铝薄膜的制备方法、装置及其产品制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种全面积均匀多孔氧化铝薄膜的制备方法，包括镀膜、安装、电解、清洗、扩孔五个步骤，所得到的全面积均匀多孔氧化铝薄膜最终孔直径为10～800nm，所制得的多孔氧化铝薄膜最大直径可达8英寸。本发明专利技术还提供了由本方法所制备的产品、应用及实施本发明专利技术制备方法的电解装置，本发明专利技术制备的全面积均匀多孔氧化铝薄膜孔径大小一致，排列规则，制备方法使基片表面利用率提高到超过99％，而且使基片安装和拆卸变得方便，有利于后续基片的有效利用，降低生产成本，提高生产效率，并且由于整个电解装置没有复杂的密封部件、没有使用昂贵材料，因此安装和拆卸非常方便，可制备不同大小的多孔氧化铝薄膜，有利于大批量生产。

Preparation method, device and product of full area homogeneous porous alumina film

【技术实现步骤摘要】
全面积均匀多孔氧化铝薄膜的制备方法、装置及其产品
本专利技术涉及纳米材料制备领域，具体涉及一种全面积均匀多孔氧化铝薄膜的制备方法、装置及其产品和应用。
技术介绍
图形化基片相对不平整表面的基片制造出的器件有更高的效率或更优秀的表面特性。最典型的例子就是图形化蓝宝石基片。目前商用的图形化蓝宝石基片有着周期约3微米的尖锥状周期性微结构，这种结构可以显著提高LED光提取效率，降低外延层位错密度，提高外延膜结晶质量。近年来，图形化基底微结构从微米级向纳米级发展，其中，表面具有纳米级孔阵列的基片是一个重要的发展方向。一般情况下，要想在基片表面获得纳米级孔阵列，需要预先在基片表面制备纳米级多孔膜作为掩模板，然后采用干法刻蚀。干法刻蚀已有成熟的设备和工艺，关键在于纳米级多孔模板的制备。对于该模板，要求孔直径在1000nm以下，要求孔径、孔间距和孔深可控，可以实现大面积均匀制备，而且要成本低廉。传统的方法通过电子束曝光、聚焦离子束刻蚀、纳米压印等方法虽然可以获得孔径均匀可控的扩孔模板，但是制备效率极低，成本极高，不适合大规模生产和应用。相比之下，多孔氧化铝模板就没有这些缺点。多孔氧化铝模板的优势在于可以很轻易地获得1000nm以下的孔结构，而且孔径孔深容易调节，并且成本低廉。只要在基片表面制备出所需要孔径和孔深的多孔氧化铝模板，然后通过干法刻蚀即可获得表面具有纳米级孔阵列的基片。虽然在金属铝片或铝零件表面制备多孔氧化铝的工艺早已成熟并产业化，但是，在绝缘基底上获得均匀可控的多孔氧化铝模板的技术发展缓慢，研究报道很少，尚未解决的问题包括大面积基底表面多孔氧化铝不均匀、基片利用率低(无法得到全面积的有效覆盖)、装卸复杂成本高。例如，目前报道的最大的基底Ching-JungYang等使用4英寸玻璃基底获得均匀的多孔氧化铝薄膜(ElectrochemicalandSolid-StateLetters,2007,10(12),C69-C71)，但是由于整个装置设计不合理，比如采用复杂的铜环、聚四氟乙烯环、铜片等，导电装置与基片表面接触面积很大，从而导致多孔氧化铝的有效面积仅占基片面积的53％，其余47％的面积都浪费了，这是最大的缺点。另一个缺点是该方法所用装置含有密封部件，结构复杂，安装和拆卸费时费力，所用材料成本也高，因此并不适合大规模生产。专利申请CN103668381A介绍了一种扫描阳极氧化法，虽然可以大大增加有效面积，但是仍然需要保留部分在液面外，而且界面处很难形成均匀的氧化铝薄膜。上述问题中，多孔氧化铝的均匀性问题是首要问题，由于基底是绝缘的，整个多孔氧化铝的生长过程电流的流动全靠基片表面附近的铝层，当基底面积较大时，整个基底表面氧化铝的生长速率就容易不同，生长速率较快的区域铝层优先耗尽从而使电路断掉，导致生长速率较慢的区域多孔氧化铝底部存在铝层残余，由于金属铝对紫外和可见光反射率极高，从基片透光性的均匀性就可以清楚地判断氧化铝层是否均匀，存在残余铝的基片表面氧化铝层厚度不均，这将导致后续基片表面纳米结构的不均匀。要想使整个基片上氧化铝生长速率均匀一致，必须控制好基片表面附近电解液流动的均匀性。上述问题中第二个问题基片利用率的问题，最理想的情况是整个基片表面的铝层全部都被氧化成多孔氧化铝，然而由于铝的电解氧化必须有外电路与基片表面的铝接触，因此外电路接触位置的铝不与电解液接触，因此该位置将没有多孔氧化铝，由于目前所知所报道的装置设计仅仅为实验室原理性研究，一般选用铜或铁作为与铝层接触的外电路材料，而这两种金属虽然常用，但是它们极易被电解液腐蚀，因此所设计的装置必须有密封功能，将它们与电解液隔离，但是要达到密封功能必须设计密封圈及其附属结构，密封位置处铝层的面积就会比较大，所以未氧化铝面积都很大，这会导致基片利用率较低，在后续产业化过程中势必增加成本，甚至直接对产品质量产生不利影响。要想提高基片的利用率，必须使外电路与基片表面铝层的接触面积尽可能的缩小。上述问题中，最后是装置的简便性问题，安装和拆卸基底必须非常简单和方便，以利于大批量生产，而前述所报道的铜环、特氟龙环、铜片密封装置过于复杂，不利于大规模生产。
技术实现思路
为解决现有技术的不足，本专利技术的目的在于：提出了一种全面积均匀多孔氧化铝薄膜的制备方法，方法可以适用于各种形状的大面积基底，使基片上多孔氧化铝的生长均匀一致，最后无铝层残留，而且大幅提高基片利用率，并提供相应的产品及其应用和实施该制备方法所用的电解装置，并且简化电解装置结构和操作方法，使其能够适合大规模生产。为达到上述目的，本专利技术采用的如下的技术方案：一种在各种基底上制备全面积均匀多孔氧化铝薄膜的方法，包括以下步骤：S1.镀膜：将绝缘基片一面抛光后在该面蒸镀一层金属铝薄膜；S2.安装：将蒸镀了铝的基片安装在基片安装支架上，基片表面的铝与外部电路之间采用丝状导线相连，所述丝状导线与基片表面的铝之间为点接触；S3.电解：将基片安装支架放入电解池的电解液中电解，与基片表面铝层相连的丝状导线接外部电路的正极，以石墨板为负极，电解过程中需不断搅拌电解液；S4.清洗：待电解结束时，电流值为变为零，此时基片表面的金属铝薄膜全部变成多孔氧化铝薄膜，取出基片，清洗并烘干；S5.扩孔：将步骤S4获得的表面有多孔氧化铝层薄膜的基片放置在磷酸溶液中浸泡，使多孔氧化铝薄膜的孔进一步扩大至所需孔径，即得全面积均匀多孔氧化铝层薄膜。优选的，前述的在各种基底上制备全面积均匀多孔氧化铝薄膜的方法中，步骤S1中所述金属铝的纯度不低于99.99％，所述金属铝薄膜的厚度为0.1～20μm，所述绝缘基片为高阻硅、蓝宝石、钢化玻璃、石英玻璃、碳化硅中的一种。优选的，前述的在各种基底上制备全面积均匀多孔氧化铝薄膜的方法中，步骤S2中所述丝状导线与基片表面相连时有2个以上沿基片边缘分布的接触点，每个接触点的面积不大于3mm2；所述丝状导线材料为铂或工业纯钛，所述基片安装支架材料为耐酸性腐蚀的塑料。优选的导线材料为工业纯钛，选用钛丝的目的是因为金属钛在多孔氧化铝电解体系中可以与电解液直接接触而不会像金属铜和铁那样被电解液严重腐蚀，也不会像铂丝那样昂贵，选用丝状金属钛的目的是减小钛与基片表面铝层的接触面积。实际使用时，丝状导线端部与金属铝层表面直接接触，接触点的数量和位置应根据基片的形状和大小进行设置，并由夹持装置压紧，可以保证电解过程良好的导电接触，由于接触点面积仅为丝状导线的截面积大小，因此基片利用率极高，并且可根据制备的基片的面积大小来调整接触点的面积，对于4英寸基片，整个基片表面未被氧化的铝的面积占整个基片面积的不到0.2％，这将有利于后续基片的有效利用，降低生产成本，提高生产效率。优选的，前述的在各种基底上制备全面积均匀多孔氧化铝薄膜的方法中，步骤S3中所述电解液为硫酸、草酸、磷酸中的一种或几种，电解液的温度为5～20℃，电解时所加电压为10～400V。优选的，前述的在各种基底上制备全面积均匀多孔氧化铝薄膜的方法中，步骤S3中所述电解液的搅拌采用空本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种在各种基底上制备全面积均匀多孔氧化铝薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1.镀膜：将绝缘基片一面抛光后在该面蒸镀一层金属铝薄膜；/nS2.安装：将蒸镀了铝的基片安装在基片安装支架上，基片表面的铝与外部电路之间采用丝状导线相连，所述丝状导线与基片表面的铝之间为点接触；/nS3.电解：将基片安装支架放入电解池的电解液中电解，与基片表面铝层相连的丝状导线连接外部电路的正极，以石墨板为负极，电解过程中需不断搅拌电解液；/nS4.清洗：待电解结束时，电流值为变为零，此时基片表面的金属铝薄膜全部变成多孔氧化铝薄膜，取出基片，清洗并烘干；/nS5.扩孔：将步骤S4获得的表面有多孔氧化铝层薄膜的基片放置在磷酸溶液中浸泡，使多孔氧化铝薄膜的孔进一步扩大至所需孔径，即得全面积均匀多孔氧化铝层薄膜。/n

【技术特征摘要】
1.一种在各种基底上制备全面积均匀多孔氧化铝薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.镀膜：将绝缘基片一面抛光后在该面蒸镀一层金属铝薄膜；
S2.安装：将蒸镀了铝的基片安装在基片安装支架上，基片表面的铝与外部电路之间采用丝状导线相连，所述丝状导线与基片表面的铝之间为点接触；
S3.电解：将基片安装支架放入电解池的电解液中电解，与基片表面铝层相连的丝状导线连接外部电路的正极，以石墨板为负极，电解过程中需不断搅拌电解液；
S4.清洗：待电解结束时，电流值为变为零，此时基片表面的金属铝薄膜全部变成多孔氧化铝薄膜，取出基片，清洗并烘干；
S5.扩孔：将步骤S4获得的表面有多孔氧化铝层薄膜的基片放置在磷酸溶液中浸泡，使多孔氧化铝薄膜的孔进一步扩大至所需孔径，即得全面积均匀多孔氧化铝层薄膜。


2.根据权利要求1所述的在各种基底上制备全面积均匀多孔氧化铝薄膜的方法，其特征在于，步骤S1中所述金属铝的纯度不低于99.99％，所述金属铝薄膜的厚度为0.1～20μm，所述绝缘基片为高阻硅、蓝宝石、钢化玻璃、石英玻璃、碳化硅中的一种。


3.根据权利要求1所述的在各种基底上制备全面积均匀多孔氧化铝薄膜的方法，其特征在于，步骤S2中所述丝状导线与基片表面相连时有2个以上沿基片边缘分布的接触点，每个接触点的面积不大于3mm2；所述丝状导线材料为铂或工业纯钛，所述基片安装支架材料为耐酸性腐蚀的塑料。


4.根据权利要求1所述的在各种基底上制备全面积均匀多孔氧化铝薄膜的方法，其特征在于，步骤S3中所述电解液为硫酸、草酸、磷酸中的一种或几种，电解液的温度为5～20℃，电解时所加电压为10～400V。


5.根据权利要求1所述的在各种基底上制备全面积均匀多孔氧化铝薄膜的方法，其特征在于，步骤S3中所述电解液的搅拌采用空气搅拌和/或搅拌桨机械搅拌；其中：空气搅拌是将多孔管、气泡条或气泡石固定在基片安装支架的正下方，将压缩空气通入多孔管、气泡条或气泡石产生气泡；机械搅拌采用聚四氟搅拌桨，搅拌桨位于基片安装支架的正下方；或者当两种方式一起采用时，搅拌桨的位置位于多孔管、气泡条或气泡石的正上方、基片的正下方。


6.根据权利要求1所述的在各种基底上制备全面积均匀多孔氧化铝薄膜的方法，其特征在于，步骤S5中所述的磷酸的质量浓度为1％～10...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭秋泉，赵呈春，贾沛沛，杨军，
申请(专利权)人：深圳拓扑精膜科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44