Nanoporoz Anodik Alüminanın Alüminyum Yüzeyinden Ayırılması

Abstract

Nanoteknoloji geçtiğimiz yüzyılın en önemli gelişmelerinden biri kabul edilmektedir. Nanoteknoloji sayesinde insanoğlu yeni mühendislik uygulamaları için çok önemli bir alanı control edebilir hale gelmiştir. Nano kelimesi köken olarak Latinceden gelir ve ‘cüce’ anlamına gelir. Kelimenin tanımından da anlayabileceğimiz üzerine nano teknolojinin alanına maddenin küçük boyutluları girer. Yani nanometre bir ölçü birimidir ve metrenin milyarda biridir. Bir metreyi aklımızda canlandırmak pek sorun olmayacaktır çünkü günlük yaşantımızda uzunluğu genelde metre üzerinden hesaplarız. Ama bir kilometre veya bir milimetre biraz daha zor olacaktır ve metrenin milyarda biri kolay kolay aklımızda canladırabileceğimiz bir şey olmayacaktır. Bu nedenle bu noktada bilimsel bir yöntem olarak karşılaştırma daha uygun olacaktır. Bir nanometre (nm) genelde yaklaşık 10 atomun uzunluğudur (1 atom 1-4 angstrom çapındadır), DNA 2 nm, virüsler 100 nm, bakteriler 1000nm (1 mikrometre), kan hücreleri 2-5 mikrometre, saç telinin çapı 100 mikrometre, iğnenin başı ise 1 mm’dir. Nanoteknolojinin özel olmasının yani 1-100 nm arasındaki boyutun özel bir anlam içermesinin sebebi malzemelerin bu boyut arasında olağandışı özelliklerinin vuku bulmasıdır. Nano boyutta birçok malzeme normalden farklı davranışlar gösteriyor. Daha sağlam olabiliyorlar veya daha fazla iletken olabiliyorlar; opak maddeler transparan, katılar oda sıcaklığında sıvı olabiliyor veya yalıtkanlar iletken hale gelebiliyorlar. Bu genellikle maddenin küçülen boyutuyla birlikte büyüyen yüzey-hacim oranından kaynaklanıyor. Nano boyutta malzemelerin niteliksel olarak gösterdikleri farklılar için altın önemli bir örnektir. Altının bir külçe altınla, bir gram ve nokta kadar bir altın aynı kimyasal ve yaklaşık fiziksel özellikleri gösterir; yani parlak sarı renklidir, elektriği ve ısıyı iyi iletir vs. Ama altını daha küçültüp nanometre düzeyine getirdiğimizde olağanüstü bir durum ortaya çıkıyor ve altın mavi, pembe veya diğer renklerde olabiliyor ve bunula birlikte diğer tüm özellikleri de boyutuyla beraber değişmeye başlıyor. Nanoteknoloji ilgi alanı olan maddenin yaklaşık 100 nm’den daha küçük boyutları genel olarak maddenin niteliğinin değişmeye başladığı boyut olarak kabul edilir ve biz bu alana (0.1-100 nm) maddenin kuantum özelliklerinin açığa çıktığı alan diyoruz. Nano teknolojinin uğraşlarından biri maddenin kuantum özelliklerinin ortaya çıktığı 1-100 nm aralığında araştırmalar yapmaktır. Tabii araştırmakla kalması hayatlarımızda pek bir şeyi değiştirmezdi, nano teknoloji bununla beraber bu boyutlardaki maddeyi kontrol ve manipüle edebilmemizi ve bu boyutlarda ortaya çıkan olağandışı özellikleri proseslere uygulayabilmemizi sağlar. Atomsal düzeydeki malzemelerin amaca yönelik yapılandırılmalarında ve bu kadar küçük boyuttaki özel görüngülerden yararlanma birçok alanda yeni imkânların doğmasına yol açmıştır. Bu alanlardan bazıları şunlardır: Enerji, çevre tekniği, IT- Branşı, Tıp, Eczacılık vs. Atomsal düzeyde kimya, biyoloji ve fizik arasında sınır yoktur. Nanobilim yeni malzemeler üretmenin yanında, yeni malzemeler üretebilmek için gerekli olan uygulamaları üretebilmemizi de sağlıyor. Nanomalzemeler konusunda elde edilen son gelişmelerle birlikte poroz nanoyapıları hem bilimsel hem teknolojik araştırmalar için ilginç bir malzeme sınıfı haline getirdi. Nanoporoz yapılar, girintili çıkıntılı yapıları, aşırı derece büyük yüzey-hacim oranları, küçük boyutları ve içeriklerin karşılıklı etkileşimi nedeniyle, çoğunlukla bulk yapılara göre yeni ve gelişkin özellikler gösterirler. Nanoyapılı malzemelerin hem üretimi hem de pazarlaması için prosesler ticari olarak bulunmaktadır. Alüminyumun nanoporoz formda anodik oksidasyonu (anodizasyon) nanoboyutlu kalıpların üretilmesinde en yaygın olarak kullanılan yöntemlerden biridir. Anodizsyon, alüminyum, niyobyum, tantalyum, titanyum, tungsten, zirconyum gibi belli metallerin üzerinde oksit tabakası büyütmek amacıyla kullanılan elektro-kimyasal bir yöntemdir. Anodizasyon prosesinin belli koşullarında –genellikle asidik çözeltilerde-, bu oksit tabakasını kendiliğinden düzenlenen poroz yapı olarak elde etmek mümkündür. Bu tezde bu poroz yapının morfolojik özellikleri üzerinde çalışılmıştır. Alüminyumun poroz anodize yapısı kendiliğinden düzenlenebilir altıgenler şeklinde dizilirler. İki adım anodizasyon işlemi ile elde edilen anodik alümina yapısal olarak çok düzgün bir dizilime sahiptir. Anodize yapılar por çapı, porlar arası mesafe, duvar kalınlığı ve membran kalınlığı gibi anodizasyon koşullarına ve birbirlerine göre değişen birçok yapısal özelliğe sahiptirler. Bu özelliklere etki eden parametleri anodizasyon potansiyeli, süresi, sıcaklığı, karıştırma, kullanılan çözelti olarak sayabilirz. Bu çalışmada bu parametrelerin morfolojik yapıya etkileri incelenmiştir. Düşük maliyeti ve kolay üretimleri nedeniyle, nanoporoz anodik alümina gibi nanoporoz membranlar çok yüksek en-boy oranlı yapıların üretimi için yaygın olarak kullanılırlar. NPAA’larda pore çapı ile membranın kalınlığı arasındaki oran çok yüksek olabilir. Bu özellik nedeniyle NPAA, nanoteller ve nanoçubuklar gibi yapıların üretimi için çok uygundur. Bugünlerde, NPAA membranlar birkaç şirket tarafından araştırma ve endüstriyel uygulamalar için ticari olarak üretiliyorlar. Okside yapıyı alüminyum üzerinde büyütmek kolay bir yöntemken NPAA membranları alüminyum üzerinden ayırma işlemi bu konuda çalışma yapan bir çok bilim grubu uzun surely olarak meşgul etmiş bir problemdir. Bugün, NPAA membranları ayırma işleminde kullanılan iki tane yöntem vardır; 1. Anodizasyon prosesi ardından kimyasal olarak selektif çözme ile alüminyum metalini elde etme. 2. Bariyer tabakasını hızlıca çözerek geriye metalik alüminyumu bırakan elektokimyasal ayırma prosesi. Selektif çözmeye dayanan kimyasal çok iyi bilinen bir yöntem olmasına rağmen proses için gerekli kimyasalların yüksek toksik olmasu prosesi uygulmam için zorlaştıran bir etken.Elektrokimyasal ayırma yöntemi, kimyasal çözme prosesine göre daha çevre dostu bir alternatiftir ve ayrıca kimyasal çözmede olduğu gibi kalan alüminyumun çözülmesini gerektirmez. Bunun yanında elektrokimyasal ayırma yöntemi çok daha hızlı ve basit bir yöntemdir. Bu nedenle bu tezde elektrokimyasak ayırma yöteminin özellikleri incelenecektir. Biraz once verilen avantajlara rağmen anodik oksidasyonun parametrelerinin ayrılan film üzerindeki etkisi sistematik olarak henüz incelenmemiştir. Bu çalışmanın hedefi elektrokimyasal çözme işlemindeki parametrik ilişkilerin incelenmesidir. Bu çalışma kendiliğinden düzenlenen nanoporoz alüminyum oksit membranların elde edilmesi ve daha sonra membranın perklorik-ethanol karışımı kullanılarak alüminyum yüzeyinden ayırılmasına dayanıyor. Ayrılma filminin karakteri üzerindeki anodik oksit yapının rolü, değişik anodizasyon voltajı, karıştırma hızı ve zamanı kullanılarak ölçülmüştür. Bu çalışmanın sonuçları anodik oksit yapının karakterinin bariyer katmanın morfolojisini etkilediğini ve bununda kaçınılmaz olarak ayrılan filmin yapısını değiştirdiğini göstermiştir.

In nanoscale size, many materials start to behave in different ways. They can become much stronger, or conduct more electricity; opaque substances can become transparent, solids become liquids at room temperature or insulators become conductors. This often occurs because of their increasing surface to volume ratio because of their decreasing size. Recent progresses on nanomaterials have made porous nanostructures a particularly interesting class of materials for both scientific and technological explorations. Because of their intricate nanostructures, extremely big surface-volume ratio, low dimensionality and interplay among constituents, they often exhibit new and enhanced properties than bulk materials. There are commercially avaible processes and materials available in the market both for producing and marketing nanoporous structures. Anodic oxidation (anodization) of aluminium in nanoporous form is one the most widely used process for producing nano sized templates. Anodization is an electrochemical process using for growing an oxide layer on certain metals – aluminium, niobium, tantalum, titanium, tungsten, and zirconium. At certain conditions of anodization process –generally in acidic solutions-, it is possible to fabricate this oxide layer as a self-ordering porous structure. Due to their low–cost and easy fabrication, nanoporous membranes like nanoporous anodic alumina are commonly using for the fabrication of very high aspect ratio structures. The ratio of the thickness of membrane and diameter of the pores can be very large in NPAA. This property makes NPAA very suitable for fabrication of nanostructures such as nanowires and nanorods. Nowadays, although several companies commercially produce NPAA membranes for research and industrial applications, researchers prefer to produce their AAO membranes themselves thus there is a contiuning effort in developing the methodology of AAO membrane production. There are basically two routes for the production of free standing AAO membranes: 1. Chemical processes based on selective dissolution of left behind metallic aluminum after the anodization process 2. Electrochemical detachment process which relies on local rapid dissolution of barrier layer and metallic aluminum below. Although the chemical processes based on selective dissolution is very well known the requirement of highly toxic chemicals makes it a difficult process for applications. Elecrochemical detachment method is a more environmentally friendly alternative to chemical dissolution process in which dissolution of the remnant aluminum is not required. However the role of anodic oxidation parameters on the character of the detached film has not been systematically investigated The aim of this study to investigate the parametric relations in the electrochemical detachment process. The method used, is based on two-step anodization for obtaining self-ordered nanoporous aluminium oxide membranes and then detaching the membrane by using of perchloric-ethanol mixture from the aluminium surface. The role of anodic oxide structure obtained by the application of different anodization voltages, strirring speed and time on the detached film character. The results of the study demonstrated that the anodic oxide character affected the barrier layer perforation morphologies, which eventually leads to the detachment of the film.