Формирование композитных магнитных наноструктур на основе никеля для устройств микроэлектроники и нанодиагностики

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Представлены результаты исследования процессов формирования композитного материала на основе массива наноструктур Ni – наностолбиков или нанотрубок, встроенных в тонкий пористый анодный оксид алюминия методом электрохимического осаждения. Наностолбики Ni были получены в режиме постоянного тока (dc-осаждение); нанотрубки в режиме переменного тока (ас-осаждение). Анализ морфологии данных наноструктур показал, что внутренний профиль осадка и микроморфология наноструктур изменяется с увеличением времени осаждения и зависит от характера движения и диаметра пузырьков водорода, выделяющегося при электроосаждении Ni. Исследованы морфологические, структурные и электрохимические свойства полученных композитных материалов методами растровой электронной микроскопии, атомно-силовой микроскопии, рентгеноструктурного анализа, и методом линейной поляризации в потенциодинамическом режиме. Полученные наноструктуры могут быть использованы при изготовлении планарных электродов электрохимических биосенсоров и других устройств нанодиагностики и микроэлектроники.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. И. Воробьева

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники

Автор, ответственный за переписку.
Email: vorobjova@bsuir.by
Белоруссия, Минск

Д. И. Тишкевич

Государственное научно-производственное объединение “Научно-практический центр национальной академии наук Беларуси по материаловедению”

Email: vorobjova@bsuir.by
Белоруссия, Минск

Е. А. Уткина

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники

Email: outkina@bsuir.by
Белоруссия, Минск

А. А. Ходин

Государственное научно-производственное объединение “Оптика, оптоэлектроника и лазерная техника”

Email: alhodin@outlook.com
Белоруссия, Минск

Список литературы

  1. Kelsall R., Hamley I., Geoghegan M. Nanoscale Science and Technology. Wiley: Chichester. 2005.
  2. Борисенко В.Е., Воробьева А.И., Данилюк А.Л., Уткина Е.А. Наноэлектроника: Теория и практика. Бином: Москва. 2013.
  3. dos Santos M.V.P., Velo M., Domingos R.D. et al. Electrodeposited nickel nanowires for magnetic-field effect transistor (MagFET) // J. Integrated Circ. Syst. 2016. V. 11. P. 13. https://doi.org/10.29292/jics.v11i1.425
  4. Ross C.A., Hwang M., Shima M. et al. Micromagnetic behavior of electrodeposited cylinder arrays // Phys. Rev. B. 2002. V. 65. P. 144417. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.65.144417
  5. Proenca M.P., Sousa C.T., Ventura J. et al. Distinguishing nanowire and nanotube formation by the deposition current transients // Nanoscale Res. Lett. 2012. V. 7. P. 280. https://doi.org/10.1186/1556-276X-7-280
  6. Liu J.P., Fullerton E., Gutfleisch O., Sellmyer D.J. Nanoscale Magnetic Materials and Applications. Berlin: Springer. 2009.
  7. Vorobjova A.I., Shimanovich D.L., Yanushkevich K.I. et al. Properties of Ni and Ni–Fe nanowires electrochemically deposited into a porous alumina template // Beilstein J. Nanotechnol. 2016. V. 7. P. 1709. https://doi.org/10.3762/bjnano.7.163
  8. Sun X.C., Huang Y.H., Nikles D.E. FePt and CoPt magnetic nanoparticles film for future high density data storage media // Int. J. Nanotechnol. 2004. V. 1. P. 328. https://doi.org/10.1504/IJNT.2004.004914
  9. Xu C., Akakuru O.U., Zheng J.J., Wu A.G. Applications of iron oxide-based magnetic nanoparticles in the diagnosis and treatment of bacterial infections // Front. Bioeng. Biotechnol. 2019. V. 7. P. 141. https://doi.org/10.3389/fbioe.2019.00141
  10. Darton N.J., Ionescu A., Justin Llandro J. (Eds.) Magnetic Nanoparticles in Biosensing and Medicine. Cambridge University Press: Cambridge, UK. 2019.
  11. Shen W.Z., Cetinel S., Montemagno C. Application of biomolecular recognition via magnetic nanoparticle in nanobiotechnology // J. Nanoparticle Res. 2018. V. 20. P. 130. https://doi.org/10.1007/s11051-018-4232-4
  12. Makarov A., Windbacher T., Sverdlov V., Selberherr S. CMOS-compatible spintronic devices: A review // Semicond. Sci. Technol. 2016. V. 31. P. 11. https://doi.org/10.1088/0268-1242/31/11/113006
  13. Giraud M., Delapierre F.D., Wijkhuisen A. et al. Evaluation of in-flow magnetoresistive chip cell-counter as a diagnostic tool // Biosensors 2019. V. 9. P. 105. https://doi.org/10.3390/bios9030105
  14. Denmark D.J., Bustos-Perez X., Swain A. et al. Readiness of magnetic nanobiosensors for point-of-care commercialization // J. Electron. Mater. 2019. V. 48. P. 4749. https://doi.org/10.1007/s11664-019-07275-7
  15. Choi J., Gani A.W., Bechstein D.J.B. et al. Portable, one-step, and rapid GMR biosensor platform with smartphone interface // Biosens. Bioelectron. 2016. V. 85. P. 1. https://doi.org/10.1016/j.bios.2016.04.046
  16. Su D.Q., Wu K., Krishna V.D. et al. Detection of influenza a virus in swine nasal swab samples with a wash-free magnetic bioassay and a handheld giant magnetoresistance sensing system // Front. Microbiol. 2019. V. 10. P. 1077. https://doi.org/10.3389/fmicb.2019.01077
  17. Mátéfi-Tempfli S., Mátéfi-Tempfli M., Vlad A. Nanowires and nanostructures fabrication using template methods: a step forward to real devices combining electrochemical synthesis with lithographic techniques // J. Mater. Sci.: Mater. Electron. 2009. V. 20(1). P. S249. https://doi.org/10.1007/s10854-008-9568-6
  18. Woo Lee, Sang-Joon Park. Porous Anodic Aluminum Oxide: Anodization and Templated Synthesis of Functional Nanostructures // Chem. Rev. 2014. V. 114. P. 7487. https://doi.org/10.1021/cr500002z
  19. Vorobjova A.I., Tishkevich D.I., Outkina E.A. A Study of Ta2O5 Nanopillars with Ni Tips Prepared by Porous Anodic Alumina Through-Mask Anodization // Nanomat. 2022. V. 12. P. 1344. https://doi.org/10.3390/nano12081344
  20. Maximenko A., Fedotova J., Marszałek M. et al. Magnetic characteristics of CoPd and FePd antidot arrays on nanoperforated Al2O3 templates // J. Magn. Magn. Mater. 2016. V. 400. P. 200. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2015.08.057
  21. Verma N., Singh K.C., Jindal J. Fabrication of nanomaterials on porous anodic alumina template using various techniques // Indian J. Adv. Chem. Sci. 2015. V. 3(3). P. 235. https://doi.org/10.1023/A:1024479827507
  22. Vorobyova A.I., Outkina E.A., Komar O.M. Study of metal pillar nanostructure formation with thin porous alumina template // Thin Solid Films 2013. V. 548. P. 109. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2013.09.016
  23. Molares M.E., Buschmann V., Dobrev D. et al. Single-crystalline copper nanowires produced by electrochemical deposition in polymeric ion track membranes // Adv. Mater. 2001. V. 13. P. 62. https://doi.org/10.1002/1521-4095(200101)13:1<62::AID-ADMA62>3.0.CO;2-7
  24. Sousa C.T., Leitao D.C., Proenca M.P. et al. Nanoporous alumina as templates for multifunctional applications // Appl. Phys. Rev. 2014. V. 1. P. 031102. https://doi.org/10.1063/1.4893546
  25. Jai P., Gerrard E., Nurshahidah A., Derek F. Progress in nano-engineered anodic aluminum oxide membrane developmens // Mater. 2011. V. 4(3). P. 487. https://doi.org/10.3390/ma4030487
  26. Ying J.Y. Nanoporous systems and templates the unique self–assembly and synthesis of nanostructures // Sci. Spectra 1999. V. 18. P. 56.
  27. Hao Q., Huang H., Fan X. et al. Facile design of ultra-thin anodic aluminum oxide membranes for the fabrication of plasmonic nanoarray // Nanotech. 2017. V. 28. P. 105301. https://doi.org/10.1088/1361-6528/aa596d
  28. Wei Q., Fu Y., Zhang G. et al. Rational design of novel nanostructured arrays based on porous AAO templates for electrochemical energy storage and conversion // Nano Energy 2018. V. 55. P. 234. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2018.10.070
  29. Poinern G.E.J., Le X.T., Hager M. et al. Electrochemical Synthesis, Characterisation, and Preliminary Biological Evaluation of an Anodic Aluminium Oxide Membrane with a pore size of 100 nanometres for a Potential Cell Culture Substrate // Am. J. Biomed. Res. 2013. V. 3(6). P. 119. https://doi.org/10.5923/j.ajbe.20130306.01
  30. Shaban M., Hamdy H., Shahin F. et al. Uniform and reproducible barrier layer removal of porous anodic alumina membrane // J. Nanosci. Nanotechnol. 2010. Vol. 10(5). P. 3380. https://doi.org/10.1166/jnn.2010.2259.
  31. Tian M., Xu S., Wang J. et al. Penetrating the Oxide Barrier in Situ and Separating Freestanding Porous Anodic Alumina Films in One Step // Nano. Lett. 2005. V. 5(4). P. 697. https://doi.org/10.1021/nl0501112
  32. Xiaowei Zhao, Seok-Kyoo Seo, Ung-Ju Lee, Kun-Hong Lee. Controlled Electrochemical Dissolution of Anodic Aluminum Oxide for Preparation of Open-Through Pore Structures // J. Electrochemical Society 2007. V. 154(10). P. 553. https://doi.org/10.1149/1.2759780
  33. Vorobyova A.I., Outkina E.A., Khodin A.A. Nickel/Alumina nanocomposites by ac electrochemical processing // Applied Physics A. Mater. Sci. Proc. 2016. V. 122(2). P. 109. https://doi.org/10.1007/s00339-016-9611-z
  34. Воpобьева А.И., Уткина Е.А., Комаp О.М. Одноpодное осаждение никеля в поpы упоpядоченного тонкопленочного оксида алюминия // Микpоэлектpоника. 2013. Т. 42(1). С. 1. https://doi.org/10.7868/S0544126913010079
  35. Inguanta R., Piazza S., Sunseri C. Influence of electrodeposition techniques on Ni nanostructures // Electrochimica Acta 2008. V. 53. P. 5766. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2008.03.045
  36. Fukunaka Y., Konishi Y., Ishii R. Producing Shape-Controlled Metal Nanowires and Nanotubes by an Electrochemical Method // Electrochem. Solid-State Lett. 2006. V. 9(3). P. 62. https://doi.org/10.1149/1.2165711
  37. Ranaweera R., Luo L. Electrochemistry of nanobubbles // Current Opinion in Electrochemistry. 2020. – V. 22. P. 102. https://doi.org/10.1016/j.coelec.2020.04.019
  38. Jadhav A. J., Barigou M. Electrochemically Induced Bulk Nanobubbles // Ind. Eng. Chem. Res. 2021. V. 60 (49). P. 17999. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.1c04046
  39. Brown I.W.M., Bowden M.E., Kemmitt T. et al. Structural and Thermal Characterisation of Nanostructured Alumina Templates // Appl. Phys. 2006. V. 6(3). Р. 557. https://doi.org/10.1016/j.cap.2005.11.060
  40. Volpe M., Inguanta R., Piazza S., Sunseri C. Optimized bath for electroless deposition of palladium on amorphous alumina membranes // Surf. Coat. Technol. 2006. V. 200(20). P. 5800. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2005.08.126
  41. Sulka G.D. Highly Ordered Anodic Porous Alumina Formation by Self-Organized Anodizing // In: Nanostructured Materials in Electrochemistry. Ed. by Ali Eftekhari. WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. 2008. ISBN: 978-3-527-31876-6 Р. 1-116.
  42. Prioteasa P., Petica A., Popa M. et al. Electrochemical deposition of nickel for micro-mechanical systems // Rev. Chim. 2011. V. 62(5). P. 543.
  43. Pan H., Liu B., Yi J. et al. Growth of single-crystalline Ni and Co nanowires via electrochemical deposition and their magnetic properties // J. Phys. Chem. B 2005. V. 109. P. 3094. https://doi.org/10.1021/jp0451997
  44. West A.R. Solid State Chemistry and its Applications. John Wiley & Sons Ltd.: Chichester. 1985.
  45. McCafferty E. Introduction to Сorrosion Science. Springer: New York. 2010.
  46. Stansbury E.E., Buchanan R.A. Fundamentals of the Electrochemical Corrosion. ASM Int. Geauga, OH, USA. 2000.
  47. Scully J.R. Polarization resistance method for determination of instantaneous corrosion rates // Corossion 2000. V. 56. P. 199. https://doi.org/10.5006/1.3280536
  48. Stern M., Geary A.L. Electrochemical polarization // J. Electrochem. Soc. 1957. V. 104. P. 56.
  49. Rybalka K.V., Beketaeva L.A., Davydov A.D. Estimation of corrosion current by the analysis of polarization curves: Electrochemical kinetics mode // Rus. J. Electrochem. 2014 V. 50. P. 108. https://doi.org/10.1134/S1023193514020025
  50. Onyeachu B.I., Peng X., Oguzie E.E. et al. Characterizing the electrochemical corrosion behavior of a Ni–28wt.% Al composite coating in 3.5 % NaCl Solution // Port. Electrochim. Acta 2015. V. 33. P. 69(2). https://doi.org/10.4152/pea.201502069
  51. Qin L.Y., Lian S.J., Jiang Q. Effect of grain size on corrosion behavior of electrodeposited bulk nanocrystalline Ni // Trans. Nonferrous Met. Soc. China 2010. V. 20(1). P. 82. https://doi.org/10.1016/S1003-6326(09)60101-1
  52. Wang X., Wang B., Zhang L. et al. Effect of different welding processes on electrochemical and corrosion behavior of pure nickel in 1 M NaCl solution // Metals 2017. V. 7(12). P. 532. https://doi.org/10.3390/met7120532

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схематическое представление идеального ПАОА (А); СЭМ изображение скола (Б), 2D АСМ изображение и профиль экспериментального образца до осаждения никеля (В, Г); на вставке рис. 1Б – СЭМ изображение поверхности (ячеек) ПАОА и фрагмент скола этого же образца после травления барьерного слоя

Скачать (988KB)
Метаданные
3. Рис. 2. СЭМ изображения поверхности и скола экспериментальных образцов первого типа, полученных dc-осаждением Ni в ПАОА толщиной 1.0 мкм при потенциале –1.6 В до селективного травления оксида: А, Б – в течение 4 мин (образец № 1); В, Г – в течение 12 мин (образец № 2)

Скачать (880KB)
Метаданные
4. Рис. 3. СЭМ изображения поверхности экспериментальных образцов первого типа, полученных dc-осаждением Ni в ПАОА толщиной 1.8 мкм при потенциале –1.6 В после селективного травления оксида: А, Д – (образец № 1) в течение 4 мин; Б, Е – (образец № 2) в течение 12 мин; В, Г – профили поверхности этих образцов

Скачать (973KB)
Метаданные
5. Рис. 4. СЭМ фотографии поверхности (А) и скола (Б) образца, полученного в режиме ac-осаждения: частота 180 Гц, напряжение 4 В, время 3 мин; на вставках – увеличенные изображения фрагментов поверхности и скола

Скачать (849KB)
Метаданные
6. Рис. 5. СЭМ фотографии экспериментальных образцов, полученных в режиме аc-осаждения Ni в ПАОА толщиной 1.0 мкм в течение 6 мин: А – поверхность образца после осаждения Ni и частичного травления оксида алюминия; Б – поверхность образца после осаждения Ni и полного химического травления оксида алюминия; В – АСМ профиль поверхности образца на рис. 5А

Скачать (959KB)
Метаданные
7. Рис. 6. СЭМ фотографии экспериментальных образцов, полученных в режиме ac-осаждения Ni в течение 10 мин: А – поверхность образца после осаждения Ni и частичного травления оксида алюминия; Б, Д – поверхность образцов после осаждения Ni и полного селективного химического травления оксида алюминия; В и Г – АСМ профили поверхности образца на рис. 6А

Скачать (858KB)
Метаданные
8. Рис. 7. XRD спектры нанокомпозитного материала Ni-ПАОА: массив НН Ni в ПАОА, сформированных dc-осаждением (А) и массив НТ Ni в ПАОА, сформированных ac-осаждением (Б)

Скачать (420KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Линейные вольтамперограммы (ЛВА) образцов Ti-Al2O3 (№ 1–3) на фоне 3.5% водного раствора NaCl при скорости развертки потенциала 0.1 В/с через 5 мин (№1) и через 25 мин (№ 2, № 3) после погружения; ЛВА Ti/Al2O3 электрода в 0.9% водном растворе NaCl до селективного травления барьерного слоя на дне пор (образец № 4), и после селективного травления барьерного слоя на дне пор (образец № 5); ЛВА Ti электрода (образец № 6), оксид стравлен полностью

Скачать (878KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Линейные вольтамперограммы (ЛВА) для образцов Ti-Al2O3-dc-Ni (№ 1 – № 3): № 1 – через 5 мин, № 2 – через 15 мин, № 3 – через 35 мин (А, Б, В); для образцов Ti-Al2O3-аc-Ni (№4-6): № 4 – через 5 мин после погружения; № 5 – через 15 мин; № 6 – через 45 мин (Г, Д, Е). Фоновый электролит № 1–0.9% водный раствор NaCl

Скачать (887KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Потенциодинамические поляризационные кривые Ti/Al2O3/dc-Ni электрода в полулогарифмических координатах: 1 – сразу после погружения, 2 – после третьего цикла поляризации

Скачать (551KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025