In situ observations of tin deposition into nanoporous anodic aluminium oxide

Abstract

Abstract
In this thesis, the electrochemical deposition process of Sn into ordered nanoporous anodic aluminium oxide (NP-AAO) have been studied. The deposition process was studied in situ using the X-ray techniques: X-ray diffraction (XRD), Grazing incidence Transmission Small-Angle X-ray Scattering (GTSAXS), X-ray Fluorescence (XRF) and X-ray Absorption Near Edge Structure (XANES) and ex situ using Focused Ion Beam-Scanning Electron Microscopy and Transmission Electron Microscopy measurements.

The NP-AAO will under certain anodisation conditions order into a hexagonal
arrangement. These ordered NP-AAO can be used as a template to grow ordered
nanowires as well as for colouring of aluminium products. Sn, which is investigated in this thesis, is used in industry to colour aluminium products in brown and black colours. To follow the electrochemical deposition of Sn into the NP-AAO with X-ray measurements is of interests as it gives fundamental knowledge of where and how the metal is deposited within the pores.

In situ X-ray measurements are used to follow the electrochemical deposition of Sn using an alternating deposition voltage into pre-prepared NP-AAO templates, which had been grown using a two-step self-ordering anodisation process with an extra step for thinning down the barrier layer. The X-ray measurements showed how the Sn filled the pores from the bottom up, where the GTSAXS measurements indicate a non-uniform pore filling. The oxidation state of the deposited Sn was determined with XANES to be metallic and with the XRD measurements, the crystal structure was determined to be β-Sn. Ex situ measurements used Focused Ion Beam to cut into the sample to expose the Sn inside the pores. Scanning Electron Microscopy and Transmission Electron Microscopy measurements were used to visualize the Sn within the pores and showed the Sn as nanopillars inside the pores.

These results show that different X-ray techniques can be used to gain a deeper
knowledge about the electrochemical deposition processes into NP-AAO. The
measurements focused on Sn, however, these techniques are also applicable to
investigate deposition of other metals within the oxide. This knowledge about how the Sn deposits within a confined structure, can be used for creating better templates and to understand how to grow ordered nanowires in a controlled manner inside of these kinds of templates.

Abstract (Swedish)

Populärvetenskaplig sammanfattning

Aluminium används för en stor mängd produkter, allt från hus och i fordon till så
vardagliga produkter som aluminiumburkar. Det breda användningsområdet beror på aluminiumets höga hållfasthet, lätta vikt och dess goda korrosionsmotståndighet. Korrosionsmotståndet beror på att när aluminium exponeras för luft bildas ett aluminiumoxidskikt på ytan, vilket skyddar aluminiumet och hindrar aluminiumet från att korrodera. Detta skyddande oxidskikt är 2-7 nm tjockt och skyddar aluminiumet mot normala påfrestningar. Vid hårdare påfrestningar och miljöer, så som havsvatten, behövs ett bättre skydd, vilket fås genom att växa oxidskiktet tjockare. Den elektrokemiska processen anodisering används för att öka oxidens tjocklek, var aluminiumet placeras som anod i en elektrokemiskcell. I cellen finns även en elektrolyt, som kan vara neutral eller sur beroende på vilken sorts oxid som önskas växas, homogen eller porös. När en ström sedan går genom cellen och aluminiumet så kommer oxiden att växas tjockare, denna oxid kan växas till en tjocklek av tiotals mikrometer. Vid användning av sura elektrolyter så kommer en porös oxid att bildas. Om specifika syror och specifika potentialer för just de syrorna används så kan porerna komma att organisera sig i ett hexagonalt mönster. Dessa
organiserade porer kan sedan användas till att växa nanotrådar eller för att deponera metaller och färg inuti, för att ge aluminiumprodukter olika färger.

I denna avhandling har olika röntgenbaserade in-situ experiment använts för att
studera elektrokemisk deponering av tenn i porerna i den porösa aluminiumoxiden, vilket används industriellt för att färga aluminiumprodukter bruna och svarta. Mätningarna visade att deponeringen fyllde porerna med tenn ifrån bottnen och upp. Oxidationstillståndet av det deponerade tennet kunde bestämmas till att vara metalliskt och ha en β-tenn kristallstruktur. Ex situ mätningar visade tenn nanotrådar inuti i aluminiumporerna, vilket bekräftade röntgenmätningarna.

Dessa resultat visar hur olika röntgentekniker kan användas för att få en fördjupad kunskap av den elektrokemiska deponerings processen, av tenn, i porös aluminiumoxid. Denna fördjupade kunskap av hur metaller, tenn, deponeras inuti porerna, ger möjligheten att kunna konstruera bättre strukturer för deponering samt ger en djupare förståelse för kontrollerad nanotråds växt inuti en porös mall.

Denna avhandling är en del av Röntgen-Ångström projektet HEXCHEM (In situ
High Energy X-ray Diffraction from Electrochemical interfaces). Detta projekt är
ett samarbete mellan svenska och tyska forskningsgrupper och fokuserar på att
studera elektrokemiska processer på ytor med hjälp av synkrotron (röntgen)
experiment. Kombinationen av elektrokemisk deponering i aluminiumoxiden och
in situ röntgenmätningar för att just studera denna elektrokemiska process är det
bidrag denna avhandling har till projektet.

• author: Linpe, Weronica
• supervisor: Edvin Lundgren; Johan Gustafson; Gary Harlow
• organization: Synchrotron Radiation Research; NanoLund: Centre for Nanoscience
• publishing date: 2019-12
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Physical Sciences
• keywords: XRD, XRF, GTSAXS, XANES, Synkrotronljus, Elektrokemisk deposition, Anodisering, Tinn, Aluminiumoxid, Porös aluminiumoxid, In situ, XRD, XRF, GTSAXS, XANES, Synchrotron radiation, Electochemical deposition, Anodisation, Sn, Native aluminium oxide, Porous aluminium oxide, Nanoporous anodic aluminium oxide, In situ
• pages: 95 pages
• ISBN: 978-91-7895-369-1
• ISBN: 978-91-7895-368-4
• language: English
• LU publication?: yes
• id: af0b0188-330f-4349-9434-3f2bdeb1f767
• date added to LUP: 2019-12-13 11:09:35
• date last changed: 2023-09-07 09:15:58