DE102009004007B4

DE102009004007B4 - Poröser Metalldünnfilm und Kondensator

Info

Publication number: DE102009004007B4
Application number: DE200910004007
Authority: DE
Inventors: Masao Mizuno
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2008-01-08
Filing date: 2009-01-07
Publication date: 2015-01-29
Anticipated expiration: 2029-01-08
Also published as: DE102009004007A1; TW200943341A; US8054611B2; JP2009164412A; TWI404093B; US20090174987A1

Abstract

Poröser Metalldünnfilm, der aus Aluminium ausgebildet ist, wobei der Film eine Filmstruktur aufweist, in der Bereiche mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 200 nm bis 500 nm, die durch eine Aggregation einer Mehrzahl von Agglomeraten mit einem durchschnittlichen Agglomeratdurchmesser von 50 nm bis 160 nm ausgebildet sind, bei einem durchschnittlichen Abstand von 5 nm bis 40 nm getrennt verteilt sind, wobei die Fläche, die von den Bereichen eingenommen wird, in einem Querschnitt in einer beliebigen Richtung des porösen Metalldünnfilms 60% bis 90% der Fläche des Querschnitts beträgt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen porösen Metalldünnfilm mit einer großen Oberfläche und einen Kondensator.
In den letzten Jahren wurden die Oberflächen von Dünnfilmen aufgerauht, um die Funktionen der Dünnfilme zu verbessern. Beispielsweise wird zum Zwecke der Verbesserung der Kapazität eines Elektrolytkondensators eine Oberfläche einer Aluminiumfolie, die als ein Elektrodenmaterial dient, durch eine chemische Umwandlungsbehandlung aufgerauht, so dass die Oberfläche vergrößert wird.
Auch auf dem Gebiet der Katalysatoren wurden Platinschwarz und Goldschwarz, die durch Aufrauhen von Oberflächen von Platin und Gold erzeugt worden sind, als Elektroden und Katalysatoren für verschiedene chemische Reaktionen verwendet. Ferner wurden z. B. Kohlenstoff, Keramik und Metalle verwendet, wobei deren Oberflächen durch Oberflächenaufrauhen durch Umwandeln in eine poröse Oberfläche zur Verbesserung der Funktionen von Kraftfahrzeugabgasbehandlungskatalysatoren, Brennstoffzellenelektroden-katalysatoren, TiO₂-Katalysatorelektroden für farbstoffsensibilisierte Solarzellen, Lithiumio-nen-Sekundärbatterien und dergleichen vergrößert worden sind. Darüber hinaus werden in dem Gebiet der Feldemissionsanzeigen Elektronen durch Anlegen einer Spannung an feine Vorwölbungen auf einer Elektrodenoberfläche erzeugt, wobei feine Vorwölbungen, die beim Oberflächenaufrauhen auftreten, eingesetzt werden.
Das Oberflächenaufrauhen eines Metallfilms durch Umwandeln in eine poröse Oberfläche zur Vergrößerung der Oberfläche, wie es vorstehend beschrieben worden ist, wurde in vielen Bereichen industriell angewandt und ein weiteres Aufrauhen der Oberflächen war erforderlich. Wenn beispielsweise die Oberfläche einer Aluminiumoberfläche, die für einen Elektrolytkondensator verwendet wird, durch ein Oberflächenaufrauhen weiter vergrößert werden kann, kann die Leistung verbessert werden.
Daher wurde als ein Verfahren zum Erleichtern des Oberflächenaufrauhens vorgeschlagen, eine Aluminiumfolie für einen Elektrolytkondensator mittels einer kombinierten Verwendung eines Ätzverfahrens und eines Verdampfungsverfahrens einem Oberflächenaufrauhen zu unterziehen, um die Oberfläche eines Elektrolytfilms zu vergrößern und die Kondensator-eigenschaften zu verbessern. Beispielsweise beschreibt die japanische ungeprüfte Patentanmeldung JP 63-255910 A ein Verfahren, bei dem eine Oberfläche einer Aluminiumfolie chemisch geätzt wird und dann Titandünnfilme aufeinander folgend durch ein Verdampfungsverfahren abgeschieden werden, um das Oberflächenaufrauhen zu erleichtern. Die japanische ungeprüfte Patentanmeldung JP 2000-299255 A beschreibt ein Verfahren, bei dem eine Oberfläche einer Aluminiumfolie durch chemisches Ätzen aufgerauht wird und danach Ti oder ein anderes Metall abgeschieden wird. Die japanische ungeprüfte Patentanmeldung JP 10-270291 A beschreibt ein Verfahren, bei dem ein dünner Ni-Film, der in natürlicher Weise kaum oxidiert wird, auf eine Aluminiumfolienoberfläche, die einer Ätzbehandlung unterzogen worden ist, aufgedampft wird, so dass die Eigenschaften eines Kondensators verbessert werden, ohne den Effekt eines Oberflächenaufrauhens der Aluminiumfolie zu beeinträchtigen. Die japanische ungeprüfte Patentanmeldung JP 2006-108159 A beschreibt einen Elektrolytkondensator, der eine Elektrodenfolie umfasst, bei der Aggregate aus feinen Körnern, die aus Aluminium zusammengesetzt sind, das mit einer Aluminiumoxidschicht auf einer Oberfläche versehen ist, an einer Aluminiumfolie anhaften. Die japanische ungeprüfte Patentanmeldung JP 11-317331 A beschreibt ein wärmereaktives Verdampfungsverfahren, bei dem ein Verdampfungsgas in eine Atmosphäre eines Inertgases, wie z. B. Stickstoff, die Sauerstoff enthält, eingeführt wird, während sich ein Basismaterial in einem erwärmten Zustand befindet.
Im Gegensatz zu dem chemischen Ätzverfahren werden bei dem physikalischen Verdampfungsverfahren keine chemischen Mittel eingesetzt und daher hat dieses den Vorteil, dass z. B. chemische Behandlungseinrichtungen nicht erforderlich sind. Folglich ist das physikalische Verdampfungsverfahren industriell geeignet, wenn ein Aufrauhen einer Metalldünnfilmoberfläche durch das physikalische Verdampfungsverfahren allein und darüber hinaus mit einem einfachen Verfahren realisiert werden kann, das keine Filmbildung durch Wärme umfasst.
Um jedoch auf Bedürfnisse für eine Zunahme der Oberfläche, die in den letzten Jahren intensiver geworden sind, zu reagieren, ist ein weiteres Aufrauhen einer Oberfläche erforderlich. Wenn eine Metallfilmoberfläche aufgerauht wird und die Oberfläche im Vergleich zum Stand der Technik auf das Zehnfache oder mehr vergrößert werden kann, ist das Oberflächenaufrauhen zur Verbesserung der Kapazität eines Kondensators und zur Verbesserung der Oberflächenreaktivität eines Katalysators und dergleichen effektiv.
Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen porösen Metalldünnfilm, der eine große Oberfläche aufweist und zur Verbesserung der Kapazität eines Kondensators oder zur Erhöhung der Leistung einer Katalysatorelektrode effektiv ist, und einen Kondensator bereitzustellen.
Die vorliegenden Erfinder haben intensive Forschungen bezüglich einer Filmbildung durch Wärme, einer Dickfilmbildung, einer Hochdruckfilmbildung und dergleichen als ein Verfahren zur Bildung eines Aluminiumdünnfilms mit einer Oberfläche, die aufgerauht ist, um die Oberfläche durch ein physikalisches Verdampfungsverfahren zu vergrößern, durchgeführt.
Die Filmbildung durch Wärme wird diskutiert. In dem Fall, in dem ein Aluminiumfilm durch Wärme gebildet wird, werden Oberflächenunebenheiten gebildet und die Oberfläche wird matt. Der Faktor des Auftretens der Oberflächenunebenheiten trägt zu einer Differenz bei dem Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen einem Substrat und einem gebildeten Aluminiumdünnfilm bei. Bei der Filmbildung wird auf die Aluminiumfilmoberfläche eine Wärmebelastung ausgeübt, da der Aluminiumfilm und das Substrat aufgrund der Wärme während des Verdampfens und Sputterns einer Wärmeausdehnung unterliegen. Es wird davon ausgegangen, dass die Aluminiumfilmoberfläche aufgrund dieser Belastung verformt wird, viele Vorwölbungen mit Durchmessern von etwa 100 nm auf dem Film gebildet werden und der Film dadurch aufgerauht und matt wird. Bei diesem Verfahren verbleiben jedoch viele flache Abschnitte auf der Filmoberfläche und daher kann die Oberfläche nicht dramatisch größer werden.
Ferner erscheinen in dem Fall, bei dem ein Aluminiumfilm durch das physikalische Verdampfungsverfahren gebildet wird, so dass er zu einem Dickfilm mit einer Filmdicke von 1 μm oder mehr wird, selbst bei der Filmbildung bei Raumtemperatur Oberflächenunebenheiten auf der Oberfläche. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der Film während der Abscheidung von Aluminium in einem bevorzugten Wachstumsrichtungswinkel wächst. Die Durchmesser von Substratoberflächenunebenheiten, die durch dieses Verfahren gebildet werden, betragen 500 nm oder mehr. Die durch dieses Verfahren gebildeten Unebenheiten der Aluminiumoberfläche sind jedoch vorwiegend aus Kristallkörnern mit Durchmessern von 500 nm oder mehr zusammengesetzt und die Kristallkörner sind dicht gebunden. Daher liegt zwischen Kristallkörnern keine Lücke vor und die Strukturen von Unebenheiten sind einfach. Folglich kann die Oberfläche nicht signifikant größer werden.
Darüber hinaus ist es bezüglich des Verdampfungsverfahrens und des Magnetronsputterverfahrens bekannt, dass es durch Erhöhen des Filmbildungsgasdrucks ermöglicht wird, dass eine Oberfläche Unebenheiten aufweist. Dieses Phänomen ist ein allgemeines Phänomen, das nicht nur bezüglich des Aluminiumfilms, sondern auch bezüglich jedweden Metalldünnfilms oder Oxids festgestellt wird. Dies ist darauf zurückzuführen, dass in dem Fall, bei dem ein Film unter Bedingungen eines hohen Drucks gebildet wird, während der Filmbildung gesputterte Atome oder verdampfte Atome in einer Kammer miteinander zusammenstoßen, bevor sie ein Substrat erreichen, und ein Teil davon selbstaggregiert und danach das Substrat erreicht. Bei der Filmbildung durch das Magnetronsputterverfahren wird üblicherweise das Inertgas Ar als Filmbildungsgas verwendet, ein glatter Film wird bei einem Ar-Gasdruck von etwa 0,00067 mbar (0,5 mTorr) bis 0,0040 mbar (3 mTorr) gebildet und mit zunehmendem Gasdruck werden nach und nach Unebenheiten gebildet. Wenn der Gasdruck 0,0067 mbar (5 mTorr) oder mehr beträgt, werden auf der Oberfläche Unebenheiten gebildet. Der resultierende Metallfilm ist ein oberflächenaufgerauhter Film mit einer Säulenstruktur, jedoch handelt es sich um einen dichten Film, der keine Lücke zwischen Metallkristallkörnern aufweist. Ferner betragen die Durchmesser von Kristallkörnern 500 nm oder mehr und daher kann ein oberflächenaufgerauter Film mit einer ausreichenden Oberfläche nicht gebildet werden.
Die vorliegenden Erfinder haben daraufhin intensive Forschungen durchgeführt. Als Ergebnis wurde gefunden, dass in physikalischen Verdampfungsverfahren, wie z. B. einem Verdampfungsverfahren und einem Sputterverfahren, ein poröser Metalldünnfilm mit einer porösen Filmoberflächenstruktur, in der Bereiche vorlagen, die durch eine Aggregation einer Mehrzahl von Agglomeraten gebildet wurden, zwischen einem Bereich und einem anderen Bereich eine Lücke vorlag und darüber hinaus eine Fläche, die durch die Bereiche eingenommen wurde, bezogen auf die Gesamtfläche der Filmoberfläche innerhalb eines spezifischen Bereichs lag, bei einer Raumtemperatur-Filmbildungsbedingung durch Mischen von 1% bis 30% Wasserstoffgas zu Ar, das als Filmbildungsgas dient, gebildet werden konnte.
Die vorliegende Erfindung wurde auf der Basis der vorstehend beschriebenen Erkenntnisse gemacht. Zur Lösung der vorstehend beschriebenen Probleme wird ein poröser Metalldünnfilm gemäß eines ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung aus Aluminium gebildet und weist eine Filmstruktur auf, in der Bereiche mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 200 nm oder mehr und 500 nm oder weniger, d. h. mit einem durchschnittlichen Durchmesser im Bereich von 200 nm bis 500 nm, die durch eine Aggregation einer Mehrzahl von Agglomeraten mit einem durchschnittlichen Agglomeratdurchmesser von 50 nm oder mehr und 160 nm oder weniger, d. h. mit einem durchschnittlichen Agglomeratdurchmesser im Bereich von 50 nm bis 160 nm, ausgebildet sind, bei einem durchschnittlichen Abstand von 5 nm oder mehr und 40 nm oder weniger, d. h. bei einem durchschnittlichen Abstand im Bereich von 5 nm bis 40 nm, getrennt verteilt sind, wobei die Fläche, die von den Bereichen eingenommen wird, in einem Querschnitt in einer beliebigen Richtung des porösen Metalldünnfilms 60% oder mehr und 90% oder weniger, d. h. 60% bis 90%, der Fläche des Querschnitts beträgt.
Dieser poröse Metalldünnfilm weist eine Filmstruktur auf, in der Bereiche mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 200 nm oder mehr und 500 nm oder weniger, d. h. von 200 nm bis 500 nm, die durch eine Aggregation einer Mehrzahl von Agglomeraten mit einem durchschnittlichen Agglomeratdurchmesser von 50 nm oder mehr und 160 nm oder weniger ausgebildet sind, d. h. von 50 nm bis 160 nm, bei einem durchschnittlichen Abstand von 5 nm oder mehr und 40 nm oder weniger, d. h. von 5 nm bis 40 nm, getrennt verteilt sind, wobei die Fläche, die von den vorstehend beschriebenen Bereichen eingenommen wird, in einem Querschnitt in einer beliebigen Richtung des porösen Metalldünnfilms 60% oder mehr und 90% oder weniger, d. h. 60% bis 90%, der Fläche des Querschnitts beträgt. Daher weist der poröse Metalldünnfilm eine große Oberfläche auf und ist zur Verbesserung der Kapazität eines Kondensators oder zur Verbesserung der Oberflächenaktivität eines Katalysators und dergleichen geeignet.
Gemäß eines zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung ist in dem vorstehend beschriebenen porösen Metalldünnfilm das vorstehend beschriebene Agglomerat durch eine Aggregation einer Mehrzahl von feinen. Körnern mit einem durchschnittlichen Korndurchmesser von 10 nm oder mehr und 25 nm oder weniger, d. h. mit einem durchschnittlichen Korndurchmesser im Bereich von 10 nm bis 25 nm, ausgebildet.
Wenn das Agglomerat durch eine Aggregation einer Mehrzahl von feinen Körnern mit einem durchschnittlichen Korndurchmesser von 10 nm oder mehr und 25 nm oder weniger, d. h. von 10 nm bis 25 nm, ausgebildet ist, kann die Oberfläche dieses porösen Metalldünnfilms signifikant zunehmen.
Gemäß eines dritten Aspekts der vorliegenden Erfindung weist der vorstehend beschriebene poröse Metalldünnfilm eine Filmdicke von 50 nm oder mehr und 100 μm oder weniger, d. h. eine Filmdicke im Bereich von 50 nm bis 100 μm, auf.
Wenn dieser poröse Metalldünnfilm eine Filmdicke von 50 nm oder mehr und 100 μm oder weniger aufweist, d. h. von 50 nm bis 100 μm, kann ein Dünnfilm mit einer großen Oberfläche realisiert werden, während die elektrische Leitfähigkeit aufrechterhalten wird.
Gemäß eines vierten Aspekts der vorliegenden Erfindung weist der vorstehend beschriebene poröse Metalldünnfilm einen spezifischen elektrischen Widerstand von 2,7 μΩcm oder mehr und 100 μΩcm oder weniger auf, d. h. der spezifische elektrische Widerstand liegt in dem Bereich von 2,7 μΩcm bis 100 μΩcm.
Wenn der spezifische elektrische Widerstand 2,7 μΩcm oder mehr und 100 μΩcm oder weniger beträgt, d. h. 2,7 μΩcm bis 100 μΩcm, kann dieser poröse Metalldünnfilm als Elektrodenmaterial für einen Kondensator verwendet werden.
Gemäß eines fünften Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Kondensator bereitgestellt, der ein Elektrodenmaterial umfasst, das auf einer Oberfläche mit dem vorstehend beschriebenen porösen Metalldünnfilm versehen ist.
Dieser Kondensator umfasst ein Elektrodenmaterial, das auf einer Oberfläche mit dem vorstehend beschriebenen porösen Metalldünnfilm versehen ist. Daher kann eine große Kapazität erhalten werden, da die Elektrode eine große Oberfläche aufweist.
Des Weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung eines porösen Metalldünnfilms, der aus Aluminium ausgebildet ist, beschrieben, wobei das Verfahren den Schritt des Bildens eines Films, der aus einem Aluminium-enthaltenden Verdampfungsmaterial zusammengesetzt ist, auf einem Substrat, das aus anodisiertem Aluminium oder Aluminium ausgebildet ist, durch ein physikalisches Verdampfungsverfahren durch die Verwendung eines Filmbildungsgases, das 1% bis 30% Wasserstoff enthält, und einer Verdampfungsquelle, die aus dem vorstehend beschriebenen Verdampfungsmaterial ausgebildet ist, umfasst.
Bei diesem Verfahren kann ein poröser Metalldünnfilm mit der vorstehend beschriebenen porösen Struktur, der aus dem Aluminium-enthaltenden Verdampfungsmaterial ausgebildet ist, auf dem Substrat, das aus anodisiertem Aluminium oder Aluminium ausgebildet ist, durch das physikalische Verdampfungsverfahren durch die Verwendung eines Filmbildungsgases, das 1% bis 30% Wasserstoff enthält, und der Verdampfungsquelle, die aus dem vorstehend beschriebenen Verdampfungsmaterial ausgebildet ist, gebildet werden.
Des Weiteren ist das vorstehend beschriebene Filmbildungsgas in dem vorstehend beschriebenen Verfahren zur Herstellung eines porösen Metalldünnfilms ein Edelgas, das im Wesentlichen weder Sauerstoff noch Stickstoff enthält.
In diesem Verfahren wird das Edelgas, das im Wesentlichen weder Sauerstoff noch Stickstoff enthält, als das Filmbildungsgas verwendet. Daher kann ein poröser Metalldünnfilm, der die vorstehend beschriebene Filmoberflächenstruktur aufweist, erhalten werden.
Des Weiteren wird die Filmbildung in dem vorstehend beschriebenen Verfahren zur Herstellung eines porösen Metalldünnfilms durch ein Sputterverfahren bei einem Filmbildungsgasdruck von 0,0040 bis 0,13 mbar (3 bis 100 mTorr) und einer Energiezufuhr von 2 bis 20 W/cm² durchgeführt.
In diesem Verfahren wird die Filmbildung durch ein Sputterverfahren bei einem Filmbildungsgasdruck von 0,0040 bis 0,13 mbar (3 bis 100 mTorr) und einer Energiezufuhr von 2 bis 20 W/cm² durchgeführt. Folglich kann ein poröser Metalldünnfilm mit einer großen Oberfläche auf der Basis der vorstehend beschriebenen porösen Struktur, der zur Verbesserung der Kapazität eines Kondensators oder zur Verbesserung der Oberflächenaktivität eines Katalysators und dergleichen effektiv ist, gebildet werden.
Des Weiteren wird in dem vorstehend beschriebenen Verfahren zur Herstellung eines porösen Metalldünnfilms ein Substrat, das aus anodisiertem Aluminium ausgebildet ist, als das vorstehend beschriebene Substrat verwendet, und es wird ein Filmbildungsgas verwendet, das 10% bis 30% Wasserstoff enthält.
In diesem Verfahren ist es bevorzugt, dass ein Substrat, das aus anodisiertem Aluminium ausgebildet ist, als das Substrat verwendet wird, und ein Filmbildungsgas, das 10% bis 30% Wasserstoff enthält, verwendet wird.
Der poröse Metalldünnfilm gemäß eines Aspekts der vorliegenden Erfindung weist eine spezifische Filmoberflächenstruktur auf, in der Bereiche mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 200 nm oder mehr und 500 nm oder weniger, die durch eine Aggregation einer Mehrzahl von Agglomeraten mit einem durchschnittlichen Agglomeratdurchmesser von 50 nm oder mehr und 160 nm oder weniger ausgebildet sind, vorliegen, eine Lücke von 5 nm oder mehr und 40 nm oder weniger zwischen einem Bereich und einem anderen Bereich vorliegt und darüber hinaus die Fläche, die von den Bereichen eingenommen wird, bezogen auf die Gesamtfläche der Filmoberfläche 60% oder mehr und 90% oder weniger, d. h. 60% bis 90%, beträgt. Daher weist der poröse Metalldünnfilm eine große Oberfläche auf und ist zur Verbesserung der Kapazität eines Kondensators oder zur Erhöhung der Leistung einer Katalysatorelektrode effektiv.
Das beschriebene Verfahren kann einen porösen Metalldünnfilm, bei dem die Oberfläche aufgerauht und die Oberfläche aufgrund der vorstehend beschriebenen spezifischen Filmoberflächenstruktur um einen Faktor 10 bis 2000 vergrößert ist, unter spezifischen Bedingungen erzeugen, wobei weder eine Wärmebehandlung noch eine Verfahrenssteuerung durchgeführt werden.
1 ist eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer Oberfläche eines porösen Aluminiumdünnfilms, der im Beispiel 1 hergestellt worden ist,
2 ist eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer Oberfläche eines porösen Aluminiumdünnfilms, der im Beispiel 2 hergestellt worden ist,
3 ist eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer Oberfläche eines porösen Aluminiumdünnfilms, der im Beispiel 3 hergestellt worden ist,
4 ist eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer Oberfläche eines porösen Aluminiumdünnfilms, der im Vergleichsbeispiel 1 hergestellt worden ist,
5 ist eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer Oberfläche eines porösen Aluminiumdünnfilms, der im Vergleichsbeispiel 2 hergestellt worden ist,
6 ist ein Graph, der einen Effekt der Erhöhung der Kapazität abhängig von der Filmdicke eines porösen Aluminiumdünnfilms, der im Beispiel 4 hergestellt worden ist, zeigt,
7 ist ein Graph, der die Ergebnisse eines Halogenlampenbestrahlungsexperiments im Beispiel 5 zeigt, und
8 ist ein Graph, der die Messergebnisse des Reflexionsvermögens einer spiegelnden Reflexion im Beispiel 5 zeigt.
Nachstehend werden ein poröser Metalldünnfilm gemäß eines Aspekts der vorliegenden Erfindung (nachstehend als ”Dünnfilm der vorliegenden Erfindung” bezeichnet), ein Verfahren zu dessen Herstellung und ein Elektrolytkondensator detailliert beschrieben.
Der Dünnfilm der vorliegenden Erfindung weist eine aus Aluminium ausgebildete poröse Struktur auf.
Diese poröse Struktur ist eine Struktur, in der Bereiche, die durch eine Aggregation einer Mehrzahl von Agglomeraten ausgebildet sind, verteilt sind. Diese Bereiche werden durch eine Aggregation einer Mehrzahl von Agglomeraten derart ausgebildet, dass sie die Form einer Kugel, die Form einer verformten Kugel oder ferner eine unbestimmte Form aufweisen.
Der durchschnittliche Durchmesser dieses Bereichs beträgt 200 nm oder mehr und 500 nm oder weniger, d. h. 200 nm bis 500 nm, und eine Lücke von 5 nm oder mehr und 40 nm oder weniger, d. h. 5 nm bis 40 nm, liegt zwischen einem Bereich und einem anderen Bereich vor. In der vorliegenden Erfindung ist der durchschnittliche Durchmesser der Bereiche ein Durchschnittswert von Außendurchmessern, die in mindestens zwei Achsenrichtungen, die durch das Zentrum verlaufen, gemessen werden.
Die Bereiche sind bei einem durchschnittlichen Abstand von 5 nm oder mehr und 40 nm oder weniger, d. h. von 5 nm bis 40 nm, getrennt verteilt. D. h., eine Lücke von 5 nm oder mehr und 40 nm oder weniger liegt zwischen einem Kristallkorn und einem anderen Kristallkorn, welche die poröse Struktur bilden, vor. In der vorliegenden Erfindung bezieht sich der Abstand zwischen Bereichen auf einen Abstand zwischen den nächstliegenden Außenoberflächen angrenzender Bereiche. In dem Fall, bei dem eine Lücke zwischen einem Bereich und einem anderen Bereich weniger als 5 nm beträgt und der Dünnfilm der vorliegenden Erfindung als eine Elektrode eines Elektrolytkondensators verwendet wird, infiltriert eine Elektrolytlösung nicht in Zwischenräume und daher kann ein Effekt der Erhöhung der Kapazität aufgrund einer Vergrößerung der Oberfläche nicht ausgeübt werden. Wenn eine Lücke zwischen einem Bereich und einem anderen Bereich 40 nm übersteigt, wird die Filmstruktur schwach. Ein bevorzugter Bereich ist 10 nm oder mehr und 30 nm oder weniger, d. h. von 10 nm bis 30 nm.
Bei dem Dünnfilm der vorliegenden Erfindung beträgt die Fläche, die von den Bereichen eingenommen wird, in einem Querschnitt in einer beliebigen Richtung des Dünnfilms 60% oder mehr und 90% oder weniger, d. h. 60% bis 90%. Dabei bezieht sich der Querschnitt in einer beliebigen Richtung des Dünnfilms auf einen Querschnitt, der durch Schneiden des Dünnfilms der vorliegenden Erfindung in einer beliebigen Richtung erhalten wird. Die Fläche, die von den Bereichen eingenommen wird, bezieht sich auf die Gesamtfläche von Bereichen, die in dem Querschnitt festgestellt werden, bezogen auf die Gesamtfläche des Querschnitts. Wenn der durchschnittliche Durchmesser der Bereiche 500 nm übersteigt oder wenn die Fläche der Bereiche 90% übersteigt, ist der Effekt des Vergrößerns der Oberfläche gering. Wenn der durchschnittliche Durchmesser der Bereiche weniger als 200 nm beträgt, erscheint in dem Bereich keine Kornstruktur und der Effekt des Vergrößerns der Oberfläche kann nicht ausgeübt werden. Wenn die Fläche der Bereiche weniger als 60% beträgt, wird die Filmstruktur schwach und der Film wirkt nicht als selbsttragender Film. Vorzugsweise beträgt der durchschnittliche Durchmesser der Bereiche 250 nm oder mehr und 450 nm oder weniger, d. h. 250 nm bis 450 nm. Ferner beträgt ein bevorzugter Bereich der Fläche der Bereiche 65% oder mehr und 85% oder weniger, d. h. 65% bis 85%.
Die Lücke zwischen einem Bereich und einem anderen Bereich beträgt 5 nm oder mehr und 40 nm oder weniger, d. h. 5 nm bis 40 nm.
Ein Agglomerat, das den Bereich bildet, ist nicht auf die Form einer perfekten Kugel beschränkt, sondern es handelt sich um ein Agglomerat, das eine nahezu kugelförmige Außenform aufweist, einschließlich einer perfekten Kugelform und sogar bis zu einer verformten Außenform, die in mindestens einer Richtung deformiert ist. Der durchschnittliche Agglomeratdurchmesser der Agglomerate beträgt 50 nm oder mehr und 160 nm oder weniger, d. h. 50 nm bis 160 nm. Agglomerate mit einem durchschnittlichen Agglomeratdurchmesser von weniger als 50 nm werden nicht gebildet. Bezüglich Agglomeraten mit einem durchschnittlichen Agglomeratdurchmesser von mehr als 160 nm bildet ein Agglomerat einen Bereich und daher wird der Effekt der Vergrößerung der Oberfläche nicht ausgeübt. Ein bevorzugter durchschnittlicher Agglomeratdurchmesser von Agglomeraten beträgt 60 nm oder mehr und 150 nm oder weniger, d. h. 60 nm bis 150 nm. Dabei ist der durchschnittliche Agglomeratdurchmesser von Agglomeraten ein Durchschnittswert von Außendurchmessern, die in mindestens zwei Achsenrichtungen, die durch das Zentrum verlaufen, gemessen werden.
Dieses Agglomerat kann durch eine Aggregation einer Mehrzahl von feinen Körnern gebildet werden. Dieses Agglomerat ist nicht auf ein Agglomerat in der Form einer perfekten Kugel beschränkt, sondern es kann sich um ein Agglomerat handeln, das eine nahezu kugelförmige Außenform aufweist, einschließlich einer perfekten Kugelform und sogar bis zu einer verformten Außenform, die in mindestens einer Richtung deformiert ist. Im Hinblick auf eine Vergrößerung der Oberfläche ist es bevorzugt, dass das Agglomerat durch eine Aggregation einer Mehrzahl von feinen Körnern mit einem durchschnittlichen Korndurchmesser von 10 nm oder mehr und 25 nm oder weniger, d. h. von 10 nm bis 25 nm, ausgebildet ist. Wenn der Durchmesser des Bereichs 250 nm oder mehr beträgt und der durchschnittliche Agglomeratdurchmesser von Agglomeraten 30 nm oder mehr beträgt, wird in dem Agglomerat eine Aggregation einer Mehrzahl von feinen Körnern mit einem durchschnittlichen Korndurchmesser von 10 bis 25 nm gebildet. Wenn der durchschnittliche Korndurchmesser von Körnern 25 nm übersteigt, verschwindet die Kornstruktur. Ferner wird dann, wenn der durchschnittliche Korndurchmesser von Körnern weniger als 10 nm beträgt, die Kornstruktur nicht festgestellt. Dabei ist der durchschnittliche Korndurchmesser von Körnern ein Durchschnittswert von Außendurchmessern, die in mindestens zwei Achsenrichtungen, die durch das Zentrum verlaufen, gemessen werden.
Es ist bevorzugt, dass die Filmdicke des Dünnfilms der vorliegenden Erfindung 50 nm oder mehr und 10000 nm oder weniger, d. h. 50 nm bis 10000 nm, beträgt. Wenn die Filmdicke weniger als 50 nm beträgt, ist ein Effekt der Umwandlung zu einer porösen Oberfläche gering. Wenn die Filmdicke 10000 nm übersteigt, wird der Film aufgrund einer inneren Spannung gebogen und daher ist die Filmbildung schwierig. Um das Kapazitätsverhältnis auf das 100-fache oder mehr festzulegen, ist es erforderlich, dass die Filmdicke 200 nm oder mehr beträgt. Wenn die Filmdicke 10000 nm übersteigt, wird ein Effekt der Erhöhung des Kapazitätsverhältnisses gering. Mehr bevorzugt beträgt die Filmdicke 300 nm oder mehr und 800 nm oder weniger, d. h. 300 nm bis 800 nm.
Es ist bevorzugt, dass der spezifische elektrische Widerstand des Dünnfilms der vorliegenden Erfindung 2,7 μΩcm oder mehr und 100 μΩcm oder weniger, d. h. 2,7 μΩcm bis 100 μΩcm, beträgt, da dann eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit als Elektrode bereitgestellt werden kann. Die Untergrenze des spezifischen elektrischen Widerstands des Dünnfilms der vorliegenden Erfindung ist auf 2,7 μΩcm festgelegt, wobei es sich um den spezifischen elektrischen Widerstand von Aluminium handelt, da der Dünnfilm aus Aluminium ausgebildet ist. Da der Dünnfilm der vorliegenden Erfindung eine poröse Struktur aufweist, weist der Film Zwischenräume auf. Daher werden die Leitungswege vermindert und folglich nimmt der spezifische elektrische Widerstand um etwa 5 bis 6 μΩcm zu. Wenn die Filmdicke vermindert wird, werden die Leitungswege lokal vermindert. Daher nimmt der spezifische elektrische Widerstand weiter auf etwa 10 μΩcm zu. Wenn darüber hinaus die Filmdicke 50 nm beträgt, nimmt der spezifische elektrische Widerstand auf etwa 100 μΩcm zu. Wenn der spezifische elektrische Widerstand jedoch 100 μΩcm übersteigt, ist eine Antistatik-Anwendung möglich.
Gegebenenfalls kann auf dem Dünnfilm der vorliegenden Erfindung ein aus SiO₂, TiO₂, MgF₂ oder dergleichen zusammengesetzter Schutzfilm ausgebildet sein.
Der Dünnfilm der vorliegenden Erfindung weist die vorstehend beschriebene poröse Struktur auf. Daher sind feine Unebenheiten auf der Oberfläche ausgebildet, die Oberfläche weist ein dunkles Aussehen auf und das Reflexionsvermögen für sichtbares Licht bis zu Nahinfrarotstrahlen (Wellenlänge: 250 nm bis 2000 nm) beträgt 10% bis 30%. Folglich kann der Dünnfilm der vorliegenden Erfindung auch als Elektrode mit geringer Reflexion verwendet werden. Dabei wird davon ausgegangen, dass der Grund für die geringe Reflexion von sichtbarem Licht bis zu Nahinfrarotstrahlen derart ist, dass das Licht in der feinen Struktur unregelmäßig reflektiert wird und das Licht durch die Filmoberfläche absorbiert wird. Diese Lichtabsorption findet im sichtbaren Bereich (Wellenlänge: 400 nm bis 800 nm) und im Nahinfrarotbereich (800 bis 2000 nm) statt. Andererseits nimmt die Reflexion in den Ferninfrarotbereichen (Wellenlänge: 2000 nm oder mehr) zu. Daher kann der Dünnfilm der vorliegenden Erfindung als Absorptionsfilm für sichtbares Licht oder als Absorptionsfilm für Nahinfrarot verwendet werden und ist als gut wärmeabsorbierender Film mit geringer Infrarotstrahlung geeignet. Wenn der Dünnfilm mit einer Halogenlampe bestrahlt wird, wird das Licht absorbiert und die Temperatur wird effizient erhöht und gemäß den Ergebnissen eines Halogenlampenbestrahlungstests (7), der gemäß dem nachstehenden Beispiel 5 durchgeführt wird, wird eine gute Funktion als wärmeabsorbierender Film erhalten.
Der Dünnfilm der vorliegenden Erfindung kann mit einem Verfahren hergestellt werden, das den Schritt des Bildens eines Films, der aus einem Aluminiumenthaltenden Verdampfungsmaterial zusammengesetzt ist, auf einem Substrat, das aus anodisiertem Aluminium oder Aluminium ausgebildet ist, durch ein physikalisches Verdampfungsverfahren durch die Verwendung eines Filmbildungsgases, das 1% bis 30% Wasserstoff enthält, und einer Verdampfungsquelle, die aus dem vorstehend beschriebenen Verdampfungsmaterial ausgebildet ist, umfasst. Dieses Herstellungsverfahren kann neben dem Schritt des Bildens eines Films durch das physikalische Verdampfungsverfahren z. B. einen Schritt des Reinigens einer Oberfläche eines Substrats, einen Schritt des Vorwärmens des Substrats mit der gereinigten Oberfläche im Inneren einer Filmbildungsvorrichtung, einen Schritt des Nachbehandelns des Substrats, das mit dem Dünnfilm der vorliegenden Erfindung versehen ist, und einen Schritt des Bildens eines Schutzfilms, der aus SiO₂, TiO₂, MgF₂ oder dergleichen zusammengesetzt ist, umfassen.
Bezüglich des Substrats, auf dem der Dünnfilm der vorliegenden Erfindung gebildet wird, kann ein Substrat verwendet werden, das aus anodisiertem Aluminium oder Aluminium ausgebildet ist. Das anodisierte Aluminiumsubstrat ist bevorzugt, da der vorstehend beschriebene poröse Dünnfilm, der eine poröse Struktur aufweist, in dem Bereiche, die durch eine Aggregation von Agglomeraten, die aus einem Aggregat von Körnern zusammengesetzt sind, ausgebildet sind, verteilt sind, oder eine poröse Struktur aufweist, in der Bereiche, die durch eine Aggregation von Agglomeraten ausgebildet sind, die nicht aus einem Aggregat von Körnern zusammengesetzt sind, verteilt sind, effizient gebildet werden kann. In dem anodisierten Aluminiumsubstrat ist in der Oberfläche anodisiertes Aluminiumoxid verteilt, das Korndurchmesser von etwa 50 bis 100 nm aufweist, und damit einhergehend sind feine Unebenheiten ausgebildet. Daher wächst ein poröser Dünnfilm, der die vorstehend beschriebene poröse Struktur aufweist, in einfacher Weise, während diese Unebenheiten als Ausgangspunkte dienen. Folglich kann ein poröser Dünnfilm mit einer guten Filmqualität mit einer hohen Effizienz gebildet werden, und zwar verglichen mit derjenigen in dem Fall, bei dem ein glattes Glassubstrat verwendet wird. Auch ein Aluminiumoxidfilm, der aus einem natürlichen Oxidationsfilm resultiert, ist auf einer Oberfläche des Aluminiumsubstrats ausgebildet, und Risse und Unebenheiten liegen in diesem natürlichen Oxidationsfilm vor. Daher kann bezüglich des Aluminiumsubstrats ein poröser Dünnfilm mit der vorstehend beschriebenen porösen Struktur gebildet werden, während diese Risse und Unebenheiten als Ausgangspunkte dienen. Eine Filmbildung ist jedoch verglichen mit derjenigen des anodisierten Aluminiumsubstrats schwierig. Andererseits können bezüglich eines Glassubstrats in vielen Fällen Filme nicht zufrieden stellend gebildet werden, wenn bestimmte Kriterien nicht erfüllt sind, obwohl es möglich ist, den porösen Dünnfilm mit der vorstehend beschriebenen porösen Struktur zu bilden. Daher nimmt in dem Fall, bei dem das Glassubstrat verwendet wird, verglichen mit dem Fall, bei dem das vorstehend beschriebene anodisierte Aluminiumsubstrat verwendet wird, die Ausbeute um etwa 1/30 ab.
Bezüglich des Filmbildungsgases wird ein Edelgas verwendet, das im Wesentlichen weder Sauerstoff noch Stickstoff enthält. In der vorliegenden Erfindung bezieht sich der Ausdruck ”im Wesentlichen weder Sauerstoff noch Stickstoff enthält” darauf, dass der Sauerstoffgehalt 1 ppm oder weniger und der Stickstoffgehalt 10 ppm oder weniger beträgt. Als das Edelgas können Ar, He, Ne und dergleichen verwendet werden.
Der Wasserstoffgehalt in diesem Filmbildungsgas beträgt 1% bis 30%. Auf diese Weise kann der Aluminiumdünnfilm, der die vorstehend beschriebene poröse Struktur aufweist, gebildet werden. Wenn der Wasserstoffgehalt weniger als 1% beträgt, wird ein Effekt auf einem niedrigen Niveau ausgeübt. Wenn der Gehalt 30% übersteigt, ist der Effekt gesättigt und die Filmbildungsrate nimmt ab, so dass die Praxiseignung gering ist. Vorzugsweise beträgt der Wasserstoffgehalt 10% oder mehr und 30% oder weniger. Im Hinblick darauf, die Explosionsgrenze von Wasserstoff zu unterschreiten, ist es bevorzugt, 5% oder weniger zu verwenden.
Beispiele für physikalische Verdampfungsverfahren umfassen ein Vakuumverdampfungsverfahren und ein Sputterverfahren. Insbesondere ist es in dem Fall, bei dem ein Film durch das Sputterverfahren gebildet wird, bevorzugt, dass der Filmbildungsgasdruck auf 0,0040 bis 0,13 mbar (3 bis 100 mTorr) festgelegt ist und die Energiezufuhr auf 2 bis 20 W/cm² festgelegt ist. Wenn der Film durch ein Vakuumverdampfungsverfahren gebildet wird, sind 0,013 mbar (10 mTorr) bis 13,3 mbar (10 Torr) bevorzugt.
Als Verdampfungsquelle, die für das physikalische Verdampfen verwendet wird, wird ein Target, eine Verdampfungsquelle, ein Verdampfungstarget oder eine Tablette, ausgebildet aus einem Verdampfungsmaterial, das Aluminium enthält, welches den Dünnfilm der vorliegenden Erfindung bildet, verwendet. Wenn ein Film durch ein Vakuumverdampfungsverfahren oder ein Sputterverfahren gebildet wird, kann in dem Vakuumverdampfungsverfahren eine Verdampfungsquelle, ein Verdampfungstarget oder eine Tablette zweckmäßig ausgewählt werden, und ein Target kann in dem Sputterverfahren gemäß der Zusammensetzung eines zu bildenden Dünnfilms zweckmäßig ausgewählt werden. Beispielsweise kann in dem Fall, bei dem ein aus Aluminium zusammengesetzter Dünnfilm gebildet wird, eine aus reinem Aluminium zusammengesetzte Verdampfungsquelle verwendet werden. Der auf einem Substrat ausgebildete Dünnfilm der vorliegenden Erfindung wird so ausgebildet, dass er die gleiche Zusammensetzung aufweist wie diejenige dieser Verdampfungsquelle.
Bezüglich des Sputterverfahrens können Verfahren des Magnetronsputterns, des Ionenstrahlsputterns und dergleichen eingesetzt werden. Insbesondere ist ein Magnetronsputtern bevorzugt, da ein Film mit großer Fläche und einheitlich diffuser Reflexion einfach gebildet wird.
In der vorliegenden Erfindung wird davon ausgegangen, dass der Grund dafür, dass der Film mit diffuser Reflexion, der die vorstehend beschriebene poröse Struktur aufweist, erhalten wird, derart ist, wie es nachstehend beschrieben ist.
Üblicherweise weist ein Wasserstoffmolekül eine geringe Reaktivität mit Aluminium auf und Aluminiumhydrid wird nicht stabil gebildet. Wenn die Filmbildung jedoch in einer Wasserstoff-enthaltenden Ar-Atmosphäre durchgeführt wird, die als Filmbildungsgas in dem Sputterverfahren oder dem Verdampfungsverfahren dient, wird Wasserstoff in einer Kammer atomisiert oder ionisiert, so dass die Reaktivität erhöht wird, Wasserstoff wird im Inneren des Aluminiums vorübergehend in erzwungener Weise gelöst und ein Aluminiumfilm wird auf einem Substrat ”als solcher” gebildet. Unmittelbar nach der Filmbildung wird der Wasserstoff im Inneren des Aluminiumdünnfilms instabil und aus dem Film freigesetzt. In diesem Verfahren werden in der Filmoberfläche viele feine Poren gebildet und Hohlräume werden gebildet. Es wird davon ausgegangen, dass sich diese Hohlräume einhergehend mit dem Wachstum des Films ausdehnen und nach einer Weile ein Körper mit komplizierten Unebenheiten wächst.
Der Dünnfilm, der durch das vorstehend beschriebene Verfahren gebildet worden ist, bei dem eine Gaskomponente, die nicht mit einem Metall reagiert, in erzwungener Weise absorbiert und danach freigesetzt wird, weist die gleiche Zusammensetzung auf wie diejenige des Targetmaterials oder der Verdampfungsquelle. Wenn daher das Targetmaterial reines Aluminium ist, wird der Film aus reinem Aluminium bestehen. Da das Edelgas, das im Wesentlichen weder Sauerstoff noch Stickstoff enthält, als das Filmbildungsgas verwendet wird, werden Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid und dergleichen nicht gebildet. Folglich nimmt der spezifische elektrische Widerstand des gemäß eines Aspekts der vorliegenden Erfindung erzeugten porösen Aluminiumdünnfilms nicht zu, ein Verlust aufgrund des elektrischen Widerstands ist in dem Fall, bei dem der poröse Aluminiumfilm als eine Elektrode verwendet wird, gering, und es wird eine überlegene Energieeffizienz erhalten.
Ein Filmbildungsverfahren in der Wasserstoff-enthaltenden Atmosphäre, wie es vorstehend beschrieben worden ist, ist ein zweckmäßiges Verfahren, bei dem die Bildung eines Films durch Wärme nicht erforderlich ist, und bei dem darüber hinaus eine Filmbildungsgeschwindigkeit von 10 nm/s oder mehr bezüglich einer Energiezufuhr von 10 W/cm² realisiert werden kann. Es wird der Vorteil erhalten, dass eine aufgerauhte Oberfläche ohne Änderung des Verfahrens, z. B. eine Änderung der Filmbildungsbedingungen im Zeitverlauf, während der Filmbildung einfach gebildet werden kann.
Wenn der Dünnfilm der vorliegenden Erfindung auf einer Oberfläche eines Elektrodenmaterials eines Elektrolytkondensators gebildet wird, kann ein Elektrolytkondensator mit einer hohen Kapazität gebildet werden. Dieser Elektrolytkondensator weist eine Struktur auf, bei der z. B. ein Trennpapier sandwichartig zwischen einer Anodenaluminiumfolie (Elektrodenmaterial) und einer Kathodenaluminiumfolie (Elektrodenmaterial), die jeweils mit einem Anschlussdraht ausgestattet sind, angeordnet ist, diese in die Form eines kreisförmigen Zylinders gewickelt werden, das Trennpapier mit einer Elektrolytlösung getränkt wird und diese in einer Verpackung eingeschlossen werden. Die Dünnfilme der vorliegenden Erfindung werden auf gegenüber liegenden Oberflächen der beiden Elektrodenmaterialien, der Anodenaluminiumfolie (Elektrodenmaterial) und der Kathodenaluminiumfolie (Elektrodenmaterial) ausgebildet und dadurch werden die Oberflächen dieser Elektrodenmaterialien aufgerauht, so dass die Oberfläche größer werden kann. Auf diese Weise kann ein Elektrolytkondensator mit einer signifikant großen Kapazität gebildet werden.
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf Beispiele und Vergleichsbeispiele genauer beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die folgenden Beispiele beschränkt.
Beispiel 1
Ein poröser Aluminiumdünnfilm wurde unter Verwendung eines Substrats, das aus 1000-Aluminium mit einer Dicke von 1 mm und einem Durchmesser von 5,08 cm (2 Zoll) zusammengesetzt war, und unter Verwendung einer Magnetron-Sputtervorrichtung gebildet. Ein reines Aluminiumtarget mit einer Reinheit von 4 N wurde als Sputtertarget verwendet, der Endvakuumgrad wurde auf 1,6 × 10^–6 mbar (1,2 × 10^–6 Torr) Torr festgelegt und ein 20% H₂–80% Ar-Mischgas wurde als Filmbildungsgas eingesetzt. Eine Gleichstromentladung wurde unter den Bedingungen eines Filmbildungsgasdrucks von 0,013 mbar (10 mTorr), einer Energiezufuhr von 10 W/cm² und eines Abstands zwischen dem Substrat und dem Target von 60 mm durchgeführt. Nachdem die Filmbildung für 100 Sekunden durchgeführt worden ist, wurde die Filmdicke mit einem Sondendickenmessgerät gemessen. Die Filmdicke betrug 1100 nm.
Die Oberfläche des resultierenden porösen Aluminiumdünnfilms wurde mit einem Rasterelektronenmikroskop (SEM) untersucht. Die 1 zeigt eine Photographie, die bei 150000-facher Vergrößerung aufgenommen worden ist. Wie es in dieser Photographie gezeigt ist (1), gibt es auf der Oberfläche des porösen Aluminiumdünnfilms Bereiche, die durch schwarze Abschnitte getrennt sind. Die Bereiche wurden durch eine Aggregation einer Mehrzahl von kugelförmigen Agglomeraten gebildet. Durch eine weitere detaillierte Untersuchung hat sich ergeben, dass das kugelförmige Agglomerat aus feineren kugelförmigen Körnern ausgebildet war. Diese Photographie wurde einer Bildanalyse unterzogen, so dass der durchschnittliche Durchmesser von Bereichen, der durchschnittliche Agglomeratdurchmesser von kugelförmigen Agglomeraten und der durchschnittliche Korndurchmesser von feinen kugelförmigen Körnern gemessen wurden. Als Ergebnis betrug der durchschnittliche Korndurchmesser feiner kugelförmiger Körner 6,7 nm, der durchschnittliche Agglomeratdurchmesser kugelförmiger Agglomerate, die durch eine Aggregation feiner kugelförmiger Körner gebildet worden sind, betrug 33 nm, und der durchschnittliche Durchmesser von Bereichen, die durch eine Aggregation von kugelförmigen Agglomeraten gebildet wurden, betrug 115 nm. Ferner lag zwischen einem Bereich und einem anderen Bereich ein schwarzer Abschnitt vor und Bereiche waren verteilt, während der Abstand zwischen einem Bereich und einem anderen Bereich durchschnittlich 2 nm oder mehr und 20 nm oder weniger, d. h. 2 nm bis 20 nm, betrug. Ferner wurde der Anteil der Fläche, die von Domänen bezogen auf die Gesamtfläche des Querschnitts eingenommen wurde, berechnet, und als Ergebnis wurden 68% erhalten.
Anschließend wurden zwei Substrate, die mit diesem porösen Aluminiumdünnfilm ausgestattet waren, hergestellt. Die porösen Aluminiumdünnfilme wurden einander gegenüber liegend angeordnet und ein Cellophanpapier mit einer Dicke von 0,25 mm, das mit reinem Wasser mit einer elektrischen Leitfähigkeit von 1 μS/cm getränkt war, wurde sandwichartig dazwischen angeordnet, so dass ein Plattenkondensator hergestellt wurde. Die Kapazität des resultierenden Plattenkondensators wurde gemessen, wobei 980 μF erhalten wurden.
Für Vergleichszwecke wurde gemäß der vorstehenden Beschreibung ein dichter Film mit einer Filmdicke von 300 nm durch die Verwendung eines Substrats gebildet, das aus 1000-Aluminium zusammengesetzt war, wobei das Filmbildungsgas Ar war und der Gasdruck auf 0,0027 mbar (2 mTorr) festgelegt war. Zwei Substrate, die mit diesem Aluminiumfilm ausgestattet waren, wurden hergestellt. Die Aluminiumfilme wurden einander gegenüber liegend angeordnet und ein Plattenkondensator wurde gemäß der vorstehenden Beschreibung hergestellt. Die Kapazität wurde gemessen, wobei 1,0 μF erhalten wurde.
Aus dem Beispiel 1 ergibt sich, dass ein Kondensator mit einer Kapazität, die 100-fach größer ist als die Kapazität des Kondensators, der aus dem dichten Aluminiumfilm hergestellt worden ist, der nicht die poröse Struktur aufweist, aus dem porösen Aluminiumdünnfilm mit der vergrößerten Oberfläche gebildet werden konnte.
Beispiel 2
Eine 1000-Aluminium-Platte mit einer Dicke von 1 mm und einem Durchmesser von 5,08 cm (2 Zoll) wurde 20 min einer Elektrolysebehandlung in einer 15%igen Schwefelsäurelösung bei einer Gleichstromdichte von 150 A/m² bei einer Spannung von 15 V unterzogen, so dass ein anodisiertes Aluminiumsubstrat, das einen anodisierten Aluminiumoxidfilm mit einer Filmdicke von 10 μm auf einer Oberfläche umfasste, hergestellt wurde.
Ein poröser Aluminiumdünnfilm mit einer Filmdicke von 2000 nm wurde wie im Beispiel 1 ausgebildet, jedoch wurde das resultierende anodisierte Aluminiumsubstrat als Substrat verwendet, ein 3% H₂–97% Ar-Mischgas wurde als Filmbildungsgas verwendet und die Energiezufuhr wurde auf 4 W/cm² festgelegt.
Die Oberfläche des resultierenden porösen Aluminiumdünnfilms wurde mit einem Rasterelektronenmikroskop (SEM) untersucht. Die 2 zeigt eine Photographie, die bei 150000-facher Vergrößerung aufgenommen worden ist. Wie es in dieser Photographie gezeigt ist (2), gibt es auf der Oberfläche des porösen Aluminiumdünnfilms Bereiche, die durch schwarze Abschnitte getrennt sind. Die Bereiche wurden durch eine Aggregation einer Mehrzahl von kugelförmigen Agglomeraten gebildet. Durch eine weitere detaillierte Untersuchung hat sich ergeben, dass das Agglomerat aus feineren kugelförmigen Körnern ausgebildet war. Diese Photographie wurde einer Bildanalyse unterzogen, so dass der durchschnittliche Durchmesser von Bereichen, der durchschnittliche Agglomeratdurchmesser von kugelförmigen Agglomeraten und der durchschnittliche Korndurchmesser von feinen kugelförmigen Körnern gemessen wurden. Als Ergebnis betrug der durchschnittliche Korndurchmesser feiner kugelförmiger Körner 7 nm, der durchschnittliche Agglomeratdurchmesser kugelförmiger Agglomerate, die durch eine Aggregation feiner kugelförmiger Körner gebildet worden sind, betrug 27 nm, und der durchschnittliche Durchmesser von Bereichen, die durch eine Aggregation von kugelförmigen Agglomeraten gebildet wurden, betrug 73 nm. Ferner lag zwischen einem Bereich und einem anderen Bereich ein schwarzer Abschnitt vor und Bereiche waren verteilt, während der Abstand zwischen einem Bereich und einem anderen Bereich durchschnittlich 2 nm oder mehr und 20 nm oder weniger, d. h. 2 bis 20 nm, betrug. Der Anteil der Fläche, die von Domänen bezogen auf die Gesamtfläche des Querschnitts eingenommen wurde, wurde berechnet, und als Ergebnis wurden 82% erhalten.
Anschließend wurde ein Plattenkondensator wie im Beispiel 1 hergestellt und die Kapazität wurde gemessen, wobei 140 μF erhalten wurden.
Aus dem Beispiel 2 ergibt sich, dass ein Kondensator mit einer Kapazität, die 140-fach größer ist als die Kapazität des Kondensators, der für Vergleichszwecke im Beispiel 1 hergestellt worden ist und der aus dem dichten Aluminiumfilm hergestellt worden ist, der nicht die poröse Struktur aufweist, aus dem porösen Aluminiumdünnfilm mit der vergrößerten Oberfläche gebildet werden konnte.
Beispiel 3
Ein poröser Aluminiumdünnfilm mit einer Filmdicke von 5000 nm wurde wie im Beispiel 1 auf einer Substratoberfläche hergestellt, jedoch wurde ein 10% H₂–90% Ar-Mischgas als Filmbildungsgas verwendet und die Energiezufuhr wurde auf 4 W/cm² festgelegt.
Die Oberfläche des resultierenden porösen Aluminiumdünnfilms wurde mit einem Rasterelektronenmikroskop (SEM) untersucht. Die 3 zeigt eine Photographie, die bei 150000-facher Vergrößerung aufgenommen worden ist. Wie es in dieser Photographie gezeigt ist (3), gibt es auf der Oberfläche des porösen Aluminiumdünnfilms Bereiche, die durch schwarze Abschnitte getrennt sind. Die Bereiche wurden durch eine Aggregation einer Mehrzahl von kugelförmigen Agglomeraten gebildet. Ferner wurden feinere kugelförmige Körner nicht festgestellt. Diese Photographie wurde einer Bildanalyse unterzogen, so dass der durchschnittliche Durchmesser von Bereichen und der durchschnittliche Agglomeratdurchmesser von kugelförmigen Agglomeraten gemessen wurden. Als Ergebnis betrug der durchschnittliche Agglomeratdurchmesser kugelförmiger Agglomerate 23 nm und der durchschnittliche Durchmesser von Bereichen, die durch eine Aggregation kugelförmiger Agglomerate gebildet worden sind, betrug 120 nm. Ferner lag zwischen einem Bereich und einem anderen Bereich ein schwarzer Abschnitt vor und Bereiche waren verteilt, während der Abstand zwischen einem Bereich und einem anderen Bereich durchschnittlich 10 nm oder mehr und 40 nm oder weniger, d. h. 10 nm bis 40 nm, betrug. Der Anteil der Fläche, die von Domänen bezogen auf die Gesamtfläche des Querschnitts eingenommen wurde, wurde berechnet, und als Ergebnis wurden 61% erhalten.
Anschließend wurde ein Plattenkondensator wie im Beispiel 1 hergestellt und die Kapazität wurde gemessen, wobei 1450 μF erhalten wurden.
Aus dem Beispiel 3 ergibt sich, dass ein Kondensator mit einer Kapazität, die etwa 1500-fach größer ist als die Kapazität des Kondensators, der für Vergleichszwecke im Beispiel 1 hergestellt worden ist und der aus dem dichten Aluminiumfilm hergestellt worden ist, der nicht die poröse Struktur aufweist, aus dem porösen Aluminiumdünnfilm mit der vergrößerten Oberfläche gebildet werden konnte.
Vergleichsbeispiel 1
Ein Aluminiumfilm mit einer Filmdicke von 2000 nm wurde wie im Beispiel 1 hergestellt, jedoch wurde Ar-Gas als Filmbildungsgas verwendet.
Die Oberfläche des resultierenden Aluminiumdünnfilms wurde mit einem Rasterelektronenmikroskop (SEM) untersucht. Die 4 zeigt eine Photographie, die bei 60000-facher Vergrößerung aufgenommen worden ist. Wie es in dieser Photographie gezeigt ist (4), sind dichte Aluminiumkristallkörner auf der Oberfläche des Aluminiumfilms gewachsen, wobei viele Kristallkörner mit Durchmessern von mehr als 600 nm vorlagen. Es lag keine Lücke zwischen einem Kristallkorn und einem anderen Kristallkorn vor. Eine feine Kornstruktur wurde nicht gebildet.
Anschließend wurden zwei Substrate hergestellt, die auf einer Oberfläche mit diesem Aluminiumfilm versehen waren. Ein Plattenkondensator wurde wie im Beispiel 1 hergestellt und die Kapazität wurde gemessen. Die Kapazität betrug 1,3 μF und daher wurde ein begrenzter Effekt einer Erhöhung der Kapazität verglichen mit demjenigen des Kondensators, der im Beispiel 1 für Vergleichszwecke gebildet worden ist und der aus dem dichten Aluminiumfilm hergestellt worden ist, der nicht die poröse Struktur aufweist, ausgeübt.
Vergleichsbeispiel 2
Ein poröser Aluminiumdünnfilm mit einer Filmdicke von 100 nm wurde wie im Beispiel 1 auf einer Substratoberfläche ausgebildet, jedoch wurde ein 1% H₂–99% Ar-Mischgas als Filmbildungsgas verwendet und die Energiezufuhr wurde auf 5 W/cm² festgelegt. Auf einer Oberfläche des resultierenden porösen Aluminiumdünnfilms lagen Unebenheiten vor.
Die Oberfläche des resultierenden porösen Aluminiumdünnfilms wurde mit einem Rasterelektronenmikroskop (SEM) untersucht. Die 5 zeigt eine Photographie, die bei 150000-facher Vergrößerung aufgenommen worden ist. Wie es in dieser Photographie gezeigt ist (5), sind auf der Oberfläche des porösen Aluminiumdünnfilms Aluminiumkristallkörner mit Korndurchmessern von 60 nm gewachsen, jedoch wurde im inneren keine feine Kornstruktur festgestellt. Obwohl schwarze Lücken zwischen Kristallkörnern festgestellt wurden, betrug der Anteil der Fläche, die von den Kristalikornbereichen, die von den Lückenabschnitten verschieden waren, eingenommen wurde, bezogen auf die Gesamtfläche des Films 92%.
Anschließend wurden zwei Substrate hergestellt, die auf einer Oberfläche mit diesem porösen Aluminiumdünnfilm, der Unebenheiten aufwies, versehen waren. Ein Plattenkondensator wurde wie im Beispiel 1 ausgebildet und die Kapazität wurde gemessen. Die Kapazität betrug 12 μF und daher war der Effekt der Erhöhung der Kapazität das 12-fache bezogen auf die Kapazität des Kondensators, der für Vergleichszwecke im Beispiel 1 hergestellt worden ist und der aus dem dichten Aluminiumfilm hergestellt worden ist, der nicht die poröse Struktur aufweist.
Beispiel 4
Poröse Aluminiumdünnfilme mit Filmdicken von 10 nm, 50 nm, 210 nm, 700 nm, 2000 nm, 5000 nm und 9500 nm wurden wie im Beispiel 1 ausgebildet, jedoch wurde ein 15% H₂–85% Ar-Mischgas als Filmbildungsgas verwendet, der Filmbildungsgasdruck wurde auf 0,011 mbar (8 mTorr) festgelegt und die Energiezufuhr wurde auf 7 W/cm² festgelegt.
Bezüglich jedes dieser porösen Aluminiumdünnfilme wurden zwei Substrate hergestellt, die auf einer Oberfläche mit dem porösen Aluminiumdünnfilm versehen waren. Ein Plattenkondensator wurde wie im Beispiel 1 hergestellt und die Kapazität wurde gemessen. Bezogen auf die Filmdicke des porösen Aluminiumdünnfilms, der auf der Oberflächenbasis ausgebildet worden ist, wurde festgelegt, um wievielmal größer die Kapazität war als die Kapazität des Kondensators, der für Vergleichszwecke im Beispiel 1 hergestellt worden ist und der aus dem dichten Aluminiumfilm hergestellt worden ist, der nicht die poröse Struktur aufweist. Die entsprechenden Ergebnisse sind in der 6 gezeigt.
Wie es in der 6 gezeigt ist, nahm die Kapazität bei einer Filmdicke von 50 nm um das 12-fache zu und bei einer Filmdicke von 210 nm um das 110-fache. Ferner nahm die Kapazität bei einer Filmdicke von 2000 nm um das 1300-fache zu und bei einer Filmdicke von 9500 nm um das 1800-fache.
Beispiel 5
Poröse Aluminiumdünnfilme mit Filmdicken von 100 nm, 500 nm und 2000 nm wurden wie im Beispiel 4 auf einem Aluminiumsubstrat ausgebildet.
Ein Dünnfilmprüfkörper mit einer Abmessung von 30 mm lang × 30 mm breit wurde aus jedem der Substrate, die mit den vorstehend beschriebenen porösen Aluminiumdünnfilmen versehen waren, und dem Substrat, das für Vergleichszwecke im Beispiel 1 hergestellt worden ist und das mit dem dichten Aluminiumfilm versehen worden ist, der nicht die poröse Struktur aufweist, ausgeschnitten.
Halogenlampenbestrahlungstest
Der Dünnfilm jedes der Dünnfilmtestprüfkörper wurde mit einer 150 W-Halogenlampe in einem Abstand von 25 cm bestrahlt und der Temperaturanstieg wurde gemessen. Die Messergebnisse sind in der 7 gezeigt.
Gemäß den in der 7 gezeigten Ergebnissen wurde bezüglich des dichten Aluminiumfilms, der die poröse Struktur nicht aufweist, die Temperatur, die zu Beginn 25°C betrug, aufgrund der Halogenlampenbestrahlung in 5 min auf 33°C erhöht. Andererseits wurde bezüglich des porösen Aluminiumdünnfilms die Temperatur, die zu Beginn 25°C betrug, aufgrund der Halogenlampenbestrahlung in 5 min auf 52°C erhöht. Aufgrund dieses Ergebnisses wird deutlich, dass der Dünnfilm der vorliegenden Erfindung (poröse Aluminiumdünnfilme mit Filmdicken von 100 nm, 500 nm und 2000 nm) Licht absorbiert und dass die Temperatur effizient erhöht wird.
Messung des Reflexionsvermögens einer Spiegelreflexion
Bezüglich der Dünnfilmprüfkörper, die poröse Aluminiumdünnfilme mit Dicken von 500 nm und 2000 nm umfassen, und des anodisierten Aluminiumsubstrats, das im Beispiel 2 hergestellt worden ist, wurde das Reflexionsvermögen einer Spiegelreflexion von Licht, das durch eine Filmoberfläche des porösen Aluminiumdünnfilms oder eine Substratoberfläche reflektiert wird, wobei der Einfallswinkel 5 Grad und der Reflexionswinkel 5 Grad betrugen, unter Verwendung eines Spektroreflektometers gemessen. Die Messergebnisse der Reflexion sind in der 8 gezeigt.
Wie es in der 8 gezeigt ist, zeigt die Spiegelreflexion des Lichts in einem Wellenlängenbereich von 400 nm bis 2000 nm bezüglich des anodisierten Aluminiumsubstrats ein hohes Reflexionsvermögen von mehr als 60%. Andererseits zeigen die Dünnfilme der vorliegenden Erfindung (poröse Aluminiumdünnfilme mit Filmdicken von 500 nm und 2000 nm) ein Reflexionsvermögen von 1% bis 15% im sichtbaren Bereich (Wellenlänge: 400 nm bis 800 nm) und ein Reflexionsvermögen von 60% oder weniger im Nahinfrarotbereich (Wellenlänge: 800 bis 2000 nm). Aus diesen Ergebnissen ist ersichtlich, dass der Dünnfilm der vorliegenden Erfindung Licht im sichtbaren Bereich bis zum Nahinfrarotbereich mit einer hohen Effizienz absorbiert.

Claims

Poröser Metalldünnfilm, der aus Aluminium ausgebildet ist, wobei der Film eine Filmstruktur aufweist, in der Bereiche mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 200 nm bis 500 nm, die durch eine Aggregation einer Mehrzahl von Agglomeraten mit einem durchschnittlichen Agglomeratdurchmesser von 50 nm bis 160 nm ausgebildet sind, bei einem durchschnittlichen Abstand von 5 nm bis 40 nm getrennt verteilt sind, wobei die Fläche, die von den Bereichen eingenommen wird, in einem Querschnitt in einer beliebigen Richtung des porösen Metalldünnfilms 60% bis 90% der Fläche des Querschnitts beträgt.
Poröser Metalldünnfilm nach Anspruch 1, bei dem das Agglomerat durch eine Aggregation einer Mehrzahl von feinen Körnern mit einem durchschnittlichen Korndurchmesser von 10 nm bis 25 nm ausgebildet ist.
Poröser Metalldünnfilm nach Anspruch 1, bei dem die Filmdicke 50 nm bis 10000 nm beträgt.
Poröser Metalldünnfilm nach Anspruch 1, bei dem der spezifische elektrische Widerstand 2,7 μΩcm bis 100 μΩcm beträgt.
Kondensator, der ein Elektrodenmaterial umfasst, das auf einer Oberfläche mit dem porösen Metalldünnfilm nach einem der Ansprüche 1 bis 4 versehen ist.