Совместная группа ученых из США и Германии разработала первые количественные модели того, как на поверхности металлов образуется анодная пористая оксидная пленка. Подобные пленки могут использоваться для создания широкого спектра функциональных электронных устройств, поэтому лучшее понимание их свойств имеет ключевое значение для дальнейшего развития данного направления.

Поверхностные оксидные пленки образуются на таких металлах как титан и алюминий в ходе процесса электрохимического окисления (анодирования). Формируемые оксидные пленки оказываются пористыми, если процесс происходит в растворах, в которых они слабо растворимы.

Подобные пленки обычно состоять из упорядоченных пор субмикронного диаметра, таким образом, они могут быть использованы для создания самых разнообразных электронных устройств, использующих уникальные особенности пористых пленок. Хорошим примером группы подобных устройств является солнечные элементы на базе полупроводникового диоксида титана.

Важной особенностью поверхностных оксидных пленок является тот факт, что они могут быть легко произведены, при этом они имеют большую площадь внутренней поверхности. Кроме того, поры упорядоченной структуры имеют одинаковый размер и отличаются большим отношением глубины к диаметру. Плюсом является также то, что размеры пор можно «настраивать» под конкретное приложение поверхностной пленки, изменяя условия электрохимического процесса.

Несмотря на такие широкие возможности управления структурой пористых оксидных пленок, до сих пор для формирования самоорганизующихся пленок ученые вынуждены были полагаться на интуицию в процессе поиска «правильных» параметров эксперимента.

Однако благодаря новой работе совместной группы ученых из Iowa State University (США) и University of Erlangen-Nürnberg (Германия) в руках у исследователей появился количественный инструмент, позволяющий «заказывать» необходимые параметры структур для широкого спектра материалов.

Согласно предложенной модели, условия эксперимента определяют значения двух параметров поверхностной пористой оксидной пленки: первый включает в себя соотношение плотностей оксидной пленки и металла (так называемое отношение Пилинга-Белворта / Pilling-Bedworth), а второй – «эффективность» формирования оксида, которая представляет собой долю окисленных атомов металла, остающихся в оксидной пленке, по отношению к доле ионов, ушедших в раствор. Для заданного металла, согласно предложенной модели, оксидные пленки могут иметь эффективность, не выходящую за пределы некого диапазона значений.

Теоретическая модель уже была подтверждена учеными экспериментально на оксидных пленках алюминия и титана. Кроме того, ученые показали, что соотношение расстояния между порами и напряжением, приложенным во время электрохимического процесса, остается постоянным. Подробные результаты работы были опубликованы в журнале Nature Materials.

Разработанная модель позволяет ученым точно задавать параметры эксперимента для формирования нужных им оксидных пленок. В частности, раствор должен быть таким, чтобы его растворяющая способность согласовывалась с описанным выше параметром «эффективности». Кроме того, модель предсказывает, что создание упорядоченных пористых оксидных пленок возможно только для оксидов металлов с определенными параметрами.

Это объясняет, почему ранее не удалось на эксперименте создать оксидную пленку с упорядоченными порами из ZnO (весьма перспективного материала для работы с солнечной энергией).

Хотя предложенная модель представляет собой существенный шаг в развитии производства пористых оксидных пленок, для завершения работы над ней необходимо проделать еще много работы. В частности, модель определяет соотношение расстояния между порами и приложенного напряжения, но не дает возможности вычислить отдельно один из параметров по другому.

Оценка расстояния между порами дала бы возможность рассчитать толщину материала, после которого он становится не стабильным.