陽極氧化鋁簡介

陽極氧化鋁( anodic aluminum oxide, AAO )為一種利用其本身自我組構的特 性成長孔洞來形成高密度堆積的六角形(hexagonal) 蜂巢狀奈米直孔結構，且其

陽極處理方式採用不同的操作電壓可得到不同的孔洞、孔距與細胞的大小。(3).

電化學的常溫製備方法簡單容易。將金屬和半導體材料蒸鍍到陽極氧化鋁上，可 製備出高度有序的一維金屬納米線陣列，使其產生光、電、磁等特性，並可應用 於製備垂直高密度介質、光學器件等。

2.4.2 陽極氧化鋁基板上的薄膜成長模式

我們先定義各孔洞間包圍的區域為corner region，孔洞與孔洞之間的區域則 為interpore region，其直徑分別為δ和λ，如圖 2.8 所示[14]。於一般自然的情況 下，物質皆傾向於以最低自由能的狀態來存在，所以在成核成長的過程時，原子 或是原子團沉積在基板的表面必會找一個最能夠降低其能量的成核位置。由於金 屬元素的高表面自由能會使得金屬薄膜沉積在氧化物基板上時，將傾向於島狀成 長模式(island growth mode)成長。而磁性材料大多被濺鍍在 corner region 和 interpore region 這些區域，且以較大面積的 corner region 為主[15]。

corner region 尺寸 (δ)可簡化如下(其中φ為孔洞直徑)：

δ= ﹝(φ+λ) ×

2

3

3 2

2 ﹞× 2 ～0.155φ＋1.155λ (7)

圖2.8 interpore regionλ和 corner region δ的尺寸[14]

圖2.9 Pt 奈米柱的 SEM 圖，分別為(a)375s，(b)750s，(c)1500s 在 AAO75 膜面。

(d)奈米柱在 AAO 膜面的示意圖 [14]

我們以Pt 濺鍍在不同孔洞大小的 AAO 基板來說明。圖 2.9 為 Pt 濺鍍在孔洞 直徑為75 nm 的 AAO 上，隨著濺鍍時間增加可明顯看出其柱狀之奈米結構。故 由圖可知磁性材料可長在corner region 和 interpore region 形成奈米結構。

若是改為孔洞直徑為206 nm 的 AAO(以 AAO206 表示)基板，則會因為 AAO206 表面有較大的 interpore distance，較多的 Pt 原子附著其上形成原子團，

原子團傾向隨機形成在孔洞的邊緣，隨著濺鍍時間變長，原子團開始形成奈米柱 狀後會逐漸互相連結形成Pt networks。

圖2.10 在 AAO 膜面的奈米柱成長機制圖(interpore sizeλ,孔洞直徑 φ) [14]

AAO 表面尺寸會限制其磁性材料之成長，如圖 2.10。已測知 Pt 晶粒尺寸是 10 nm，可用來預估在不同型式下 Pt 原子形成的形狀。奈米柱的成長只有在 interpore 尺寸小於 10 nm 時受限於 corner region。所以，令 λ=10 nm，得到的方 程式就是圖2.10 上面的虛線的方程式，在這虛線以上是不會有奈米柱形成的。

如果corner region 尺寸小於 10 nm，式 7

δ= 0.155φ+1.155λ

可寫成 λ=0.8668δ- 0.134φ ( 8 ) 代入δ=10 nm，得到 λ= 8.66-0.134φ，這條方程式就是圖 2.10 下面那條虛線。

在(Ι)區域：因有較大的表面尺寸(λ＞10 nm)，而有連續的 Pt 原子團形成 networks(如 AAO133，AAO206)。

在(ΙΙ)區域：λ＜10 nm，δ＞10 nm，Pt 原子成長受限而形成獨立奈米柱(如 AAO75 )。

在(ΙΙΙ)區域：為小的表面尺寸(λ＜10 nm，δ<10 nm)，限制了成核作用。從能 量的觀點，corner regions 有較高的表面自由能，所以有較多的成核作用在此區發 生。而降低表面自由能，Pt 成長繼續進行，此奈米柱也會在 corner regions 形成，

但是無法明顯看出是各自獨立的奈米柱(如 AAO24)。

Pt 的晶粒尺寸由 Scherrer’s formula 估算出大概為 10 nm。因此在 AAO75 下，

與Pt 晶粒相較之下有較大的 corner regions 和較小的 interpore regions，Pt 原子的 沉積限制在corner regions 形成奈米柱。在 AAO133 和 AAO206 下，corner regions 和interpore regions 都大於 Pt 晶粒尺寸， Pt 原子沉積在 corner regions 與 interpore regions 的機率相等，於是 Pt 原子團形成 networks，並且會逐漸變成 Pt 連續薄膜。

而AAO24，其 corner regions 和 interpore regions 都小於 Pt 晶粒尺寸，也會形成 Pt 奈米柱，但獨立性較不明顯。

在本實驗中，將觀察各自獨立垂直排列的鎳鐵奈米柱在不同孔洞大小的 AAO 膜板上的結構，分析其成長機制以及磁性質，爾後將可應用在磁記錄媒體 上[16]。