Formation of nickel-based composite magnetic nanostructures for microelectronics and nanodiagnostics devices

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The article presents results of studying the formation processes of the composite material based on Ni nanostructures arrays – nanopillars or nanotubes embedded in thin porous anodic alumina by electrochemical deposition. Ni nanopillars were formed in the direct current mode (dc-deposition); nanotubes – in the alternating current mode (ac-deposition). Morphology analysis of these nanostructures shows that inner profile of the deposit and micromorphology of the nanostructure change with deposition duration and depend on the motion mode and diameter of hydrogen bubbles released under Ni electrodeposition. The morphology, structure, and electrochemical properties of the obtained composite materials were studied using scanning electron microscopy, atomic force microscopy, X-ray diffraction analysis, and the method of linear polarization in potentiodynamic mode. The obtained nanostructures can be used to fabricate planar electrodes for electrochemical biosensors and another nanodiagnostics and microelectronics devices

Full Text

Restricted Access

About the authors

A. I. Vorobyova

Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics

Author for correspondence.
Email: vorobjova@bsuir.by
Belarus, Minsk

D. I. Tishkevich

Scientific and Practical Center for Materials Science» SSPA

Email: vorobjova@bsuir.by
Belarus, Minsk

E. A. Outkina

Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics

Email: outkina@bsuir.by
Belarus, Minsk

A. A. Khodin

Optics, Optoelectronics and Laser Technology» SSPA

Email: alhodin@outlook.com
Belarus, Minsk

References

  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., Jiabao Yi. 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

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Schematic representation of ideal PAOA (A); SEM image of a cleavage (B), 2D AFM image and profile of the experimental sample before nickel deposition (C, D); inset in Fig. 1B – SEM image of the surface (cells) of PAOA and a fragment of a cleavage of the same sample after etching of the barrier layer

Download (988KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. SEM images of the surface and cleavage of experimental samples of the first type obtained by dc-deposition of Ni in PAO with a thickness of 1.0 μm at a potential of –1.6 V before selective etching of the oxide: A, B – for 4 min (sample No. 1); C, D – for 12 min (sample No. 2)

Download (880KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. SEM images of the surface of experimental samples of the first type obtained by dc-deposition of Ni in PAO with a thickness of 1.8 μm at a potential of –1.6 V after selective etching of the oxide: A, D – (sample No. 1) for 4 min; B, E – (sample No. 2) for 12 min; C, D – surface profiles of these samples.

Download (973KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. SEM photographs of the surface (A) and cleavage (B) of a sample obtained in the ac deposition mode: frequency 180 Hz, voltage 4 V, time 3 min; insets – enlarged images of surface fragments and cleavage

Download (849KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. SEM photographs of experimental samples obtained in the ac-deposition mode of Ni in PAOA with a thickness of 1.0 μm for 6 min: A – sample surface after Ni deposition and partial etching of aluminum oxide; B – sample surface after Ni deposition and complete chemical etching of aluminum oxide; B – AFM profile of the sample surface in Fig. 5A

Download (959KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. SEM photographs of experimental samples obtained in the ac-deposition mode of Ni for 10 min: A – sample surface after Ni deposition and partial etching of aluminum oxide; B, D – sample surface after Ni deposition and complete selective chemical etching of aluminum oxide; C and D – AFM profiles of the sample surface in Fig. 6A

Download (858KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. XRD spectra of the Ni-PAO nanocomposite material: an array of Ni NNs in PAO formed by dc deposition (A) and an array of Ni NTs in PAO formed by ac deposition (B)

Download (420KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Linear voltammograms (LVA) of Ti-Al2O3 samples (No. 1–3) against the background of 3.5% aqueous NaCl solution at a potential scan rate of 0.1 V/s after 5 min (No. 1) and 25 min (No. 2, No. 3) after immersion; LVA of Ti/Al2O3 electrode in 0.9% aqueous NaCl solution before selective etching of the barrier layer at the bottom of the pores (sample No. 4), and after selective etching of the barrier layer at the bottom of the pores (sample No. 5); LVA of Ti electrode (sample No. 6), the oxide is completely etched

Download (878KB)
Indexing metadata
10. Fig. 9. Linear voltammograms (LVA) for Ti-Al2O3-dc-Ni samples (No. 1 – No. 3): No. 1 – after 5 min, No. 2 – after 15 min, No. 3 – after 35 min (A, B, C); for Ti-Al2O3-ac-Ni samples (No. 4-6): No. 4 – after 5 min after immersion; No. 5 – after 15 min; No. 6 – after 45 min (D, E, F). Background electrolyte No. 1 – 0.9% aqueous solution of NaCl

Download (887KB)
Indexing metadata
11. Fig. 10. Potentiodynamic polarization curves of Ti/Al2O3/dc-Ni electrode in semi-logarithmic coordinates: 1 – immediately after immersion, 2 – after the third polarization cycle

Download (551KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».