برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۶/۲۴ تا ۱۳۹۷/۰۶/۳۰

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۴۴,۵۸۳
  • بازدید این ماه ۳۰۱
  • بازدید امروز ۴
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۷۲۹
  • قبول شدگان ۶۲۱
  • شرکت کنندگان یکتا ۲۷۹
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۷۷
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

پیشرفته 1

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

معرفی فرآیند آندایز و روش‌های مختلف آن

با توجه به پیشرفت چشمگیر بشر در فناوری نانو، روش‌های متنوعی برای تولید نانوساختارها ابداع شده است؛ یکی از روش‌های تولید قالب، به کمک فرآیند آندایز می‌باشد. آندایز یک فرآیند الکتروشیمیایی است که بر روی برخی از فلزات قابل اجراست. این فرآیند، بسته به ماهیت الکترولیت مورد استفاده، منجر به تشکیل دو نوع لایه‌ی اکسیدی سدی و متخلخل روی سطح فلزات می‌شود. در حالت کلی، آندایز به دو روش انجام می‌شود: آندایز با پیش الگوی راهنما و آندایز خود نظم یافته. هدف ما از این مقاله، معرفی فرآیند آندایز و روش‌های مختلف انجام آن می‌باشد. در مقاله‌ی جلسه دوم به طور مفصل در مورد مراحل انجام آندایز خود نظم یافته، که یکی از پرکاربردترین روش‌های آندایز است، صحبت می‌شود.


1- مقدمه
فناوری نانو به همراه مهندسی سطح، در راستای تولید نانو ساختارهای متنوع و مواد جدید، اخیراً مورد توجه بسیاری از محققان قرار گرفته است. خصوصاً، تولید ارزان ساختارهای متناوب با تناوب کمتر از 100 نانومتر، بخش وسیعی از پژوهش‌ها را به خود اختصاص داده است.
برای تولید نانوساختارها روش‌های مختلفی، مانند لیتوگرافی، آسیاب مکانیکی، پلیمریزاسیون و ...، وجود دارد. یکی از رایج‌ترین تکنیک‌ها جهت تولید نانوساختارها، روش لیتوگرافی (Lithography) می‌باشد. علیرغم هزینه‌های بسیار بالای این روش، به دلیل دقت بسیار بالا و تنوع در تولید انواع نانوساختارها و هم چنین تنوع در انتخاب زیر لایه، در تولیدات انبوه از آن استفاده می‌شود. اما به توجه به هزینه‌های بالای استفاده از روش لیتوگرافی، محققان در صدد یافتن روشی با همین دقت اما ارزان‌ تر برآمدند. در این راستا، تکنیک الکتروشیمیایی یکی از گزینه‌هایی است که هم ارزان‌تر بوده و هم از دقت بالایی برخوردار می‌باشد.
در سال‌های اخیر، محققان الکتروشیمی به سمت علم مواد متمایل شده‌اند و در نتیجه موفق به گسترش روش‌های الکتروشیمیایی در راستای تولید مواد الکترونیکی مانند نیمه‌هادی ‌ها [2 و 1]، اکسیدهای فلزی [3]، نیترات‌های فلزی [4] و ... گردیدند. برای آماده‌سازی مواد به روش‌های الکتروشیمیایی، دو رویکرد اصلی کاتدی (Cathodic approach) و آندی (Anodic approach) وجود دارد؛ در رویکرد کاتدی، ماده‌ی مورد نظر به عنوان کاتد قرار می‌گیرد، مانند فرآیند حفاظت کاتدی که برای جلوگیری از خوردگی در سازه‌های فلزی استفاده می‌شود. در رویکرد آندی، نمونه‌ی مورد نظر نقش آند را بازی می‌کند. با استفاده از هرکدام از این دو روش، امکان تولید مواد نانوساختار وجود دارد.یکی از روش‌های الکتروشیمیایی آندی، فرآیند آندایز (Anodizatoin process) می‌باشد.
آندایز برای اولین بار، در سال 1923، در مقیاس صنعتی و برای جلوگیری از خوردگی هواپیماهای دریایی، با استفاده از اسید کرومیک، مورد استفاده قرار گرفت. این فرآیند به سرعت گسترش یافت و برای اولین بار در سال 1927، توسط گوور (Gower) و اوبرین (O'Brien)، در الکترولیت اسید سولفوریک انجام شد [5]. آندایز با اسید اکسالیک برای اولین بار در ژاپن و پس از آن، به صورت گسترده، در آلمان ، خصوصاً در کاربردهای معماری، مورد استفاده قرار گرفت.

2- فرآیند آندایز
آندایز یک فرآیند الکتروشیمیایی (Electrochemical process) است که برای افزایش ضخامت لایه‌ی اکسیدی که به صورت طبیعی روی سطح فلزات تشکیل می‌شود، مورد استفاده قرار می‌گیرد.این فرآیند بر روی فلزاتی مانند تیتانیوم، روی، تنگستن و خصوصاً آلومینیوم انجام می‌گیرد. اما برای آهن و استیل کربن مفید نیست؛ زیرا این فلزات در حین آندایز، ورقه ورقه می‌شوند.
آندایز کردن باعث تغییر بافت میکروسکوپی سطح و ساختار کریستالی فلز در نزدیکی سطح می‌شود. لایه‌های آندی عموماً سخت‌تر و چسبنده‌تر از انواع رنگ‌ها و روکش‌های فلزی می‌باشند و هم چنین مقاومت بیشتری در برابر خوردگی و ساییدگی دارند.
فرآیند آندایز در یک سلول الکتروشیمیایی انجام می‌شود، در شکل 1، تصویر شماتیک یک سلول الکتروشیمیایی نمایش داده شده است. همانطور که می‌دانید، سلول الکتروشیمیایی متشکل از سه بخش اصلی کاتد، آند و محلول الکترولیت می‌باشد.

filereader.php?p1=main_ec6ef230f1828039e

شکل 1- تصویری شماتیک از یک سلول الکتروشیمیایی


در آندایز، فلز مورد نظر، با درصد خلوص بسیار بالا، به عنوان آند و فلز دیگری، از جمله آلومینیوم، تینانتوم، پلاتین، پلادیم، نیکل، تنگستن و ...، در جایگاه کاتد می‌نشیند و ماهیت الکترولیت نیز، بسته به نوع لایه‌ی اکسیدی و خصوصیات آن (مانند قطر حفره‌ ها، فاصله ‌ی بین حفره‌ ها و ...)، تغییر می‌کند.
لایه‌ی اکسید فلز آندایز شده، به وسیله‌ی عبور جریان مستقیم از محلول الکترولیت، رشد می‌کند. قطعه‌ی فلز مورد آزمایش، به عنوان آند عمل می‌کند. جریان، هیدروژن را در کاتد (الکترود منفی) و اکسیژن را در سطح آند (الکترود مثبت) آزاد نموده و منجر به رشد لایه‌ی اکسیدی می‌گردد (شکل 1). جریان متناوب و جریان پالسی را نیز می‌توان به کار برد، اما به ندرت از آن‌ها استفاده می‌ شود. با توجه به جنس فلز و الکترولیت مورد استفاده و هم چنین هندسه‌ی ساختار، آندایز در ولتاژ‌های متفاوتی در محدوده‌ی 15 تا 195 ولت انجام می‌گیرد [14-6].

2-1- انواع لایه‌های اکسیدی
در حالت کلی، فرآیند آندایز منجر به تولید دو نوع لایه‌ی اکسیدی می‌شود؛ لایه‌ی اکسید سدی و لایه‌ی اکسید متخلخل. در واقع نوع و ماهیت الکترولیت مورد استفاده در این فرآیند، تعیین کننده‌ی نوع رشد لایه‌ی اکسید، روی سطح فلز است.
2-1-1- لایه‌ی اکسید سدی
اگر آندایز در الکترولیت خنثی (یعنی 7-5=pH) انجام شود، یک لایه‌ی اکسید آندی از نوع سدی، که نامتخلخل و نارسانا و به شدت چسبنده است، روی سطح فلز تشکیل می‌گردد. شکل 2 تصویر شماتیکی از این نوع لایه‌ی اکسیدی را نشان میدهد. این لایه‌ی اکسیدی از نظر شیمیایی بی اثر بوده و بسیار نازک و به صورت دی الکتریک فشرده می‌باشد. الکترولیت‌هایی که در تشکیل این نوع لایه‌ی اکسیدی استفاده می‌شوند عبارتند از: اسید بوریک، آمونیوم بورات، آمونیوم تارتریت، محلول فسفات آبی، پرکلریک اسید و برخی الکترولیت‌های آلی مانند اسید سیتریک، اسید مالیک، اسید ساسینک و اسید گلیکولیک [18-15].


filereader.php?p1=main_1d665b9b1467944c1
شکل2- نمای شماتیک لایه‌ی اکسید سدی



2-1-2- لایه‌ی اکسید متخلخل
زمانی که فرآیند آندایز در حضور اسیدهای قوی انجام شود، لایه‌ی اکسید حاصل متخلخل خواهد بود. برای آندایز آلومینیوم اسید سولفوریک، اسید اکسالیک و اسید فسفریک بیشترین کاربرد را دارند [20 و 19، 9، 7]؛ و الکترولیت‌هایی که برای آندایز تیتانیوم گزارش شده‌اند عبارتند از: آمونیوم فلوراید، اتیلن گلیکول، اسید سولفوریک، اسید هیدروفلوئوریک، اسید نیتریک و آمونیوم سولفات [21 و 14 ،12 ،11] و الکترولیت‌هایی که در آندایز تنگستن مورد استفاده قرار می‌گیرند، سدیم فلوراید، سدیم هیدروکسید، اسید اکسالیک و اسید فسفریک می‌باشند [23 و 22 ،14 ،13].


filereader.php?p1=main_7bc3ca68769437ce9

شکل 3- نمای شماتیک لایه‌ی اکسید متخلخل



2-2- روش‌های تولید لایه‌ی اکسید متخلخل
اکسید فلزی آندی متخلخل را می‌توان به دو روش آندایز به وسیله‌ی پیش الگوی راهنما (Pre patterned-guided anodization process) و آندایز خود نظم یافته (Self-organized anodization process) تولید کرد.
2-2-1- آندایز به وسیله ی پیش الگوی راهنما (شابلون)
در این روش، الگو روی سطح صیقلی شده‌ی فلز مورد آزمایش تشکیل می‌گردد و نانو حفره‌های حاصل از آن نظم ایده آلی دارند. تشکیل الگو روی سطح فلز به روش‌های مختلفی انجام می‌گیرد. یکی از این روش‌ها، دندانه گذاری مستقیم سطح فلز به کمک نوک تیز پروب میکروسکوپ روبشی (Scanning probe microscope) می‌باشد که در آن، هر نمونه باید به صورت جداگانه دندانه گذاری شود [16 و 18]. با توجه به اینکه زمان زیادی صرف این کار می‌شود، روش ذکر شده تنها در کاربردهای آزمایشگاهی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
شیوه ی دیگر الگو گذاری، لیتوگرافی است. در این روش، سطح فلز به وسیله‌ی مهر یا شابلون حکاکی می‌شود. این مهر تشکیل شده از آرایه‌ی چیده شده‌ی برآمده‌ای (Convex) که می تواند چندین بار برای منقوش کردن سطح فلز استفاده شود. پس از منقوش کردن، آرایه‌ی تو رفته‌ی سطح فلز، ناشی از برآمدگی‌های شابلون می‌باشد. عمق این تو رفتگی‌ها، در حدود 20 نانومتر است [24].


filereader.php?p1=main_13207e3d5722030f6

شکل 4- تصاویر SEM از سلول های تولید شده در آلومینا به روش آندایز به وسیله ی پیش الگوی راهنما [25]


شکل‌ها و چیدمان‌های مختلف برجسته‌ی روی شابلون، منجر به تشکیل آرایه‌های مختلف نانوحفره‌ها، از جمله آرایه‌ی مثلثی، مربعی و شش گوشی می‌گردد [28-25]. در شکل 4 تصاویری از نانوحفره‌های ساخته شده به این روش، مشاهده می‌شود. استفاده از این روش به دلیل هزینه‌ی بسیار بالا مقرون به صرفه نیست و به جای آن از آندایز خود نظم یافته، که از نظم بسیار خوبی برخوردار می‌باشد، استفاده می‌شود.

2-2-2- آندایز خود نظم یافته (Self-organized anodization)
در آندایز خود نظم یافته، بدون استفاده از شابلون، حفره‌ها به صورت خود انگیخته (Self-assembled) و با اعمال ولتاژ به سلول الکتروشیمیایی، شکل می‌گیرند و به همین دلیل به این نام شناخته می‌شود. ساختاری که در این روش شکل می‌گیرد، به صورت آرایه‌ای از نانوحفره‌های استوانه‌ای شکل است که هرکدام در مرکز یک سلول شش گوشی قرار دارد. پارامترهای هندسی مهم در این ساختار، قطر حفره‌ها، فاصله‌ی بین حفره‌ها و عمق حفره‌ها می‌باشد، در مورد جزئیات ساختاری حفره‌ها در مقاله‌ی «نانوحفره‌های آلومینا» توضیح داده خواهد شد. شکل 5، تصویر شماتیکی از ساختار نانوحفره‌های تشکیل شده در اکسید آلومینیوم را نمایش می‌دهد.


filereader.php?p1=main_ed92eff813a02a31a

شکل 5- نانوحفره‌های تولید شده در آلومینا، به روش آندایز خود نظم یافته



در توضیح خود نظم یافته بودن این فرآیند، یک حالت پایا برای رشد حفره‌ها در نظر گرفته می‌شود. در آندایز خود نظم یافته، حفره‌ها به صورت عمود بر سطح زیر لایه‌ی فلزی رشد می‌کنند. این امر در حالت تعادل بین دو فرآیند رقابتی زیر رخ می‌دهد:
1- حل شدن لایه‌ی اکسید در سطح مشترک لایه‌ی اکسید و الکترولیت، که ناشی از حضور میدان الکتریکی می‌باشد.
2- رشد لایه‌ی اکسید در سطح مشترک فلز و لایه‌ی اکسید.
رخداد دوم به دلیل مهاجرت یون‌های حامل اکسیژن (O-2 و -OH) از محلول الکترولیت به درون لایه‌ی اکسید، در ته حفره‌ها اتفاق می‌افتد. از طرف دیگر، یون‌های فلزی، که در لایه‌ی اکسید در حال پیشروی هستند، در سطح مشترک لایه‌ی اکسید و الکترولیت، به درون محلول الکترولیت رانده می‌شوند (شکل 6). در واقع مهاجرت یون‌های فلزی به دورن محلول الکترولیت، شرط لازم برای رشد لایه‌ی اکسید متخلخل می‌باشد؛ زیرا زمانی که این یون‌ها به سطح مشترک لایه‌ی اکسید و الکترولیت می‌رسند، موجب رشد لایه‌ی سدی می‌شوند و به این ترتیب در شکل گیری لایه‌ی اکسید ایفای نقش می‌نمایند [29]. جزئیات بیشتر در مورد نحوه‌ی شکل گیری حفره طی فرآیند آندایز خود نظم یافته، در مقاله‌ی «نانوحفره‌های آلومینا» آورده شده است.



filereader.php?p1=main_c6c27fc98633c8257
شکل 6- نحوه‌ی مهاجرت یون‌ها و شکل گیری نانوحفره‌ها طی فرآیند آندایز آلومینیوم [33]


4- بحث و نتیجه گیری
یکی از روش‌های ساخت نانوساختارها تکنیک الکتروشیمیایی است. این تکنیک، از لحاظ هزینه مقرون به صرفه بوده همچنین نسبت به سایر روش‌های تولید نانوساختارها، نسبتاً ساده تر می‌باشد و از دقت خوبی نیز برخوردار است.
آندایز آلومینیم یک فرآیند الکتروشیمیایی آندی است که جهت افزایش ضخامت لایه‌ی اکسیدی که به طور طبیعی روی سطح فلز تشکلیل می‌شود، مورد استفاده قرار می‌گیرد. روش‌های مختلفی برای انجام این فرآیند وجود دارد که در اینجا به روش‌های لیتوگرافی، آندایز با الگوی راهنما و آندایز خود نظم یافته اشاره شد. آندایز خود نظم یافته به دلیل آسانی و کم هزینه‌تر بودن نسبت به سایر روش‌ها و هم چنین دقت بسیار خوب، اخیراً برای تولید نانوحفره‌های اکسید فلزی بسیار مورد توجه قرار گرفته است. در مقاله‌ی «فرآیند آندایز 2» مراحل انجام فرآیند آندایز خود نظم یافته را شرح خواهیم داد.



منابـــع و مراجــــع

1. F. Cerdeira, I. Torriani, P.Motisuke, V. Lemos, F. Deker, ”Optical and Structural Properties of Polycrystalline CdSe Deposited on Titanium Substrates”, Appl. Phys., Vol.46, 107, (1988).

2. G. Hodes, S. J. Fonash, A. Heller, B. Miller, “Advances in Electrochemistry and Electrochemical Engineering”, New York: J. Wiley & Sons, Vol.13, p. 113, (1985).

3. T. D. Golden, M.G. Shumsky, Y. C. Zhou, R. A. Vanderwerf, J. L. Switzer, “Electrochemical Deposition of Copper(I) Oxide Films”,Chem. Mater., Vol.8, pp. 2499- 2504, (1996).

4. T. Wade, C. B. Ross, R. M. Crooks, “Electrochemical Synthesis of Ceramic Materials. 5. An Electrochemical Method Suitable for the Preparation of Nine Metal Nitrides”, Chem. Mater., Vol.9, pp. 248-254, (1997).

5. P. G. Sheasby, R. Pinner, “The Surface Treatment and Finishing of Aluminum and its Alloys”, 6th edition, UK: ASM International & Finishing Publications, Vol.2 (2001).

6. A. Eftekhari, “Nanostructured Materials in Electrochemistry”, 1st Edition, USA: WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, (2008).

7. W. Lee, R. Ji, U. Gösele, K. Nielsch, “Fast Fabrication of Long-range Ordered Porous Alumina Membranes by Hard Anodization”, Nature Materials, Vol.5, pp. 741-747, (2006).

8. W. Lee, K. Schwirn, M. Steinhat, E. Pippel, R. Scholz, U. Gosele, “Structural Engineering of Nanoporous Anodic Aluminium Oxide by Pulse Anodization of Aluminium”, Nature Nanotechnology, Vol.3 , pp. 234-239, (2008).

9. K. Schwirn, W. Lee, R. Hillebrand, M. Steinhart, K. Nielsch, U. Gösele, “Self-Ordered Anodic Aluminum Oxide Formed by H2SO4 Hard Anodization”, American Chem. Soc. Nano, Vol.2 (2), pp. 302-310, (2008

10. M. Moradi , M. Noormohammadi , F. Behzadi , “Three-dimensional Structural Engineering of Nanoporous Alumina by Controlled Sprinkling of an Electrolyte on a Porous Anodic Alumina (PAA) Template”, Journal of Physics D: Applied Physics, Vol.44, 045301, (2011).

11. Y. Ji, K. C. Lin, H. Zheng, J. J. Zhu, A. C. S. Samia, “Fabrication of Double-walled TiO2 Nanotubes with Bamboo Morphology via One-step Alternating Voltage Anodization”, Electrochemistry Communications, Vol. 13, pp. 1013-1015, (2011).

12. J. Wang, Zh. Lin, “Anodic Formation of Ordered TiO2 Nanotube Arrays: Effects of Electrolyte Temperature and Anodization Potential”, J. Phys. Chem. C, Vol.113, pp. 4026-4030, (2009).

نظرات و سوالات

نظرات

3 0

مهدی شمیری

با سلام و ادب و ضمن تشکر از مقاله
لطفا در صورت امکان مقاله 2 را ارسال بفرمائید