برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۸/۱۹ تا ۱۳۹۷/۰۸/۲۵

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۴۱,۰۶۲
  • بازدید این ماه ۱۳۴
  • بازدید امروز ۱
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۶۵۶
  • قبول شدگان ۵۳۴
  • شرکت کنندگان یکتا ۲۵۶
  • 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

طرح درس

منابع پیشنهادی هشتمین مسابقه ملی-عناوین کلی

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

اصول کلی روش انباشت الکتروشیمیایی

در این مقاله توضیحی راجع به اصول کلی روش انباشت الکتروشیمیایی (Electrochemical deposition) آورده شده است و بطور خاص استفاده از این روش در پرکردن قالب های آلومینای آندیک متخلخل، جهت تولید نانوسیم درون این قالب ها بررسی گردیده است. بطور کلی پرکردن این قالب ها با روش انباشت الکتروشیمیایی از سه طریق انجام می پذیرد که یکی از این روش ها یعنی استفاده از ولتاژ مستقیم در انباشت، در اینجا آمده و دو روش دیگر یعنی استفاده از ولتاژهای تناوبی و پالسی در مقاله ی جلسه دوم آورده شده است. پرکردن این قالب ها نیاز به آماده سازی آن قبل از انجام انباشت دارد. در روش انباشت الکتروشیمیایی با استفاده از ولتاژ مستقیم، عملیات آماده سازی قالب شامل بازکردن حفره ها و نشاندن لایه ای رسانا در ته آنها بعنوان سطح کاتدی آزمایش است که توضیح مختصری درباره ی این مراحل نیز آورده شده است.
1-مقدمه:
در انباشت الکتروشیمیایی از محلول های یونی استفاده می گردد. در این روش که الکتروپلیتینگ (Electroplating) یا بطور ساده الکتروانباشت نامیده می شود، از طریق یک جریان الکتریکی، لایه ای اصولاً فلزی بر روی سطح نشانده می شود. انباشت یک لایه ی فلزی روی یک جسم، با برقراری بار منفی روی جسمی که لایه نشانی می شود (کاتد) و فرو بردن در محلولی که شامل یک نمک فلز مورد نظر جهت انباشت است، انجام می گیرد. وقتی یون های فلزی با بار مثبت درون محلول به جسم با بار منفی می رسند، جسم الکترون هایی را جهت کاهش بار مثبت یون ها، جهت تشکیل حالت فلزی فراهم می کند. این روش می تواند مانند روش های سل-ژل جهت پرکردن قالب هایی با حفره های نانومتری نیز استفاده گردد.

2-اصول کلی انباشت الکتروشیمیایی:
در کل انباشت فلز از الکترولیت های آبی نه تنها یک واکنش مهم تخصصی است، بلکه یک مثال هسته زایی اولیه و رشد بر روی جوانه ی اولیه است که در آن مکان های هسته زایی می توانند نقش قاطعی را در روند تشکیل و نظم جسم انباشتی بازی کنند.
در این روش از جریان الکتریکی برای کاهش کاتیون های موجود در الکترولیت بمنظور انباشت مواد استفاده می گردد. نمونه ای که باید انباشت بر روی آن انجام گیرد، بهمراه فلزی با رسانندگی بالا (اصولا گرافیت یا پلاتین) بعنوان کاتد و آند درون الکترولیتی متناسب با ماده ی انباشتی مطلوب، شامل نمک فلزی آن ماده و یک اسید که یون های لازم جهت شارش جریان را فراهم می کند، در راکتور واکنشی یا همان سلول شیمیایی آزمایش که نمونه ای از آن را در شکل (1) ملاحظه می کنید قرار می گیرند.

filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820
شکل1- تصویری از سلول الکتروشیمیایی

کاتد و آند هر دو به منبع تغذیه ی خارجی متصل می باشند. هنگامی که منبع تغذیه روشن است و بعنوان مثال، کاتد به خروجی منفی و آند به خروجی مثبت وصل هستند، اتم های فلزی محلول در الکترولیت در تماس با سطح آند، به کاتیون تبدیل شده و بار مثبت می گیرند. سپس به سمت کاتد با بار منفی حرکت کرده و در مرز بین محلول و کاتد کاهیده شده و در حالت بدون بار بر روی کاتد انباشته می گردند.
انباشت الکتروشیمیایی می تواند بر روی سطوح مختلف فلزی حاصل گردد، اما از آنجا که تهیه ی نانوسیم  مواد در محلول های آبی از موارد مورد توجه در این زمینه می باشد، در این مقاله پرکردن قالب های آلومینای آندیک متخلخل با استفاده از این روش توضیح داده خواهد شد.

3- پرکردن قالب آلومینای آندیک متخلخل:
قالب آلومینای آندیک متخلخل که به دو روش جریان ثابت و پتانسیل ثابت [1] در الکترولیت های مختلف ساخته می شود، مطابق شکل (2) متشکل از یک لایه آلومینیوم اکسید نشده است که برخلاف شکل بخش اعظم قالب را تشکیل می دهد، بعلاوه ی یک لایه اکسید غیرمتخلخل که نازک ترین بخش قالب محسوب می گردد و یک لایه اکسید متخلخل که با گذشت زمان در فرایند آندایز، می تواند از 100µm نیز تجاوز نماید. جزئیات ساخت نانوحفره های آلومینا در مقاله ی آندایز آورده شده است.

filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636
شکل 2 -  (الف) ساختار آلومینای آندایز شده ی متخلخل (ب) سطح مقطع لایه ی آندایز شده [1].

از آن جا که آلومینا ماده ای عایق فرض می گردد، ولتاژ اعمالی در کاتد که در اینجا آلومینیوم زیر حفره ها است، تنها از درون حفره ها و به سه طریق که در ادامه گفته خواهد شد با محلول ارتباط برقرار کرده و در نتیجه کاتیون ها به همراه محلول به درون حفره ها کشیده می شوند. با گذشت زمان و اعمال ولتاژ، نانوسیم ها رشد کرده و خود باعث انتقال ولتاژ از زیر حفره ها به محلول الکترولیت می شود. بعد از پر شدن حفره ها (پر شدن همه ی حفره ها لازم نیست)، و با برقراری جریان از طریق سیم های تشکیل یافته در قالب با سطح نمونه، این ناحیه نیز می تواند از ماده ی انباشتی پوشیده گردد، که بسته به مدت زمان انباشت، ضخامت آن بیشتر می گردد، اما یکنواختی پوشش بستگی به درصد پرشدگی حفره ها دارد. اگر تمام حفره ها تا بالا بطور کامل و همزمان پر شوند، می توان سطحی با بیشینه ی یکنواختی را انتظار داشت. بعنوان مثال برای انباشت Zn فلزی درون قالب اکسید آلومینای آندیک با استفاده از نمک H2SO4 ، یون +Zn2 شناور در محلول، با گرفتن دو الکترون در کاتد، کاهیده شده و می تواند انباشت گردد. هر چه چگالی جریان بیشتر باشد، سرعت انباشت بالاتر می رود.
در طول انباشت، خیلی از واکنش های غیرمترقبه از قبیل انباشت ناخالصی ها نیز رخ می دهد که ممکن است منجر به کاهش مقدار فلز انباشتی گردد.
در شکل (3) منحنی لحظه ای جریان-زمان در این فرایند آورده شده است. در این شکل مکانیسم رشد نانوسیم های فلزی در چهار مرحله ی مختلف نمایش داده شده است. در مرحله ی اولیه بعلت محدودیت انتقال جرم جریان کاهش می یابد، زیرا فاصله ی ته حفره ها تا سطح آنها در بیشترین حالت بوده و طی این مسیر توسط کاتیون ها به سختی صورت می گیرد، اما در مراحل بعدی سیم ها بالا آمده و ضمن کوتاه تر شدن مسیر، اعمال ولتاژ راحت تر صورت می گیرد. در مرحله ی دوم یا شکل (3-I) فلز در حفره ها در حال رشد می باشد و به یک رژیم نسبتاً پایدار خواهد رسید. در مرحله ی سوم همانطور که در شکل (3-II) دیده می شود حفره ها تا بالای سطح پوسته پر شده و به شکل کلاهکی با انباشت سه بعدی سر می زنند. در مرحله ی آخر بعلت رشد همزمان بعضی نانوسیم ها که از سطح پوسته بیرون آمده اند و افزایش مساحت موثر الکترود، جریان انباشت افزایش می یابد (شکل (3-III) ). پس از بهم رسیدن سیم ها، جریان عبوری از هر سیم که تا قبل از آن در مسیری یک بعدی در حال حرکت بوده، روی هم افتاده و در حجمی سه بعدی حالت جریان پخشی خطی بالک حاصل می گردد.

filereader.php?p1=main_eccbc87e4b5ce2fe2
شکل 3- منحنی جریان لحظه ای فرایند الکتروانباشت و مراحل مکانیسم رشد نانوسیم ها [2]

اصولاً بعد از انباشت، بمنظور انحلال پوسته قالب آلومینا، قالب درون محلول های حلال آلومینا مانند محلول فسفریک اسید 8% وزنی فرو برده می شود[3].

4-الکتروانباشت با ولتاژ مستقیم:
بطور کلی به سه روش انباشت الکتروشیمیایی درون قالب اکسید آلومینای آندیک انجام می پذیرد: 1) انباشت با ولتاژ مستقیم، 2) انباشت با ولتاژ تناوبی 3) انباشت با ولتاژ پالسی. که در این مقاله به انباشت با ولتاژ مستقیم می پردازیم.
در این روش که به نوعی سخت ترین حالت از لحاظ فرایند کار می باشد، قبل از انباشت نیاز به مراحل مختلفی از جمله برداشتن آلومینیوم پشت نمونه، انحلال لایه ی سدی و باز کردن ته حفره ها [6-4] و نشاندن یک لایه رسانا بر یک طرف سطح نمونه می باشد[7]. برای نشاندن این لایه می توان از طلا، نقره یا پلاتین و روش هایی مانند کندوپاش، انباشت بخار فیزیکی، ژول و یا دیگر روش ها که جزئیات آنها در مقالات دیگر آورده شده است، استفاده کرد. الگویی از مراحل این کار در شکل (4) آورده شده است.

filereader.php?p1=main_a87ff679a2f3e71d9
شکل 4- مراحل تهیه آرایه ای از نانوسیم ها از طریق الکتروانباشت مستقیم [8].

لایه رسانا را می توان بعد از باز کردن حفره ها و در ته آنها نشاند، ضمن اینکه این کار را همچنین می توان با نشاندن لایه ی رسانا بر سطح حفره ها در ابتدای کار و سپس حل کردن آلومینیوم پشت قالب و باز کردن حفره ها در محلول مناسب انجام داد. استفاده از روش دوم برای حفظ استحکام لایه ی شکننده ی آلومینا در طول مابقی فرایندها مناسبتر می باشد. در صورتی که از روش اول استفاده گردد، حفظ لایه ی بسیار نازک و شکننده ی آلومینا در طول انحلال لایه ی سدی و باز کردن حفره ها کار بسیار حساسی می باشد.
بعد از انجام مراحل پیش نیاز، نمونه بر روی راکتور نسب و درون الکترولیت مطلوب تحت ولتاژ مستقیم یا dc قرار می گیرد. با اعمال ولتاژ، انباشت از کف حفره ها آغاز خواهد گردید و به مرور تا سطح ادامه می یابد.

4-1-حل کردن آلومینیوم پشت نمونه:
جداسازی اکسید آلومینیوم از بستر باقیمانده می تواند با استفاده از سونش الکتروشیمیایی در محلول 20% HCl با یک پتانسیل عامل بین 1تا 5v انجام گیرد[9]. اما متداول ترین روش برپایه ی یک جداسازی شیمیایی مرطوب آلومینیوم است. برای انجام این فرایند، نمونه ی آندایز شده برای مدتی معین در یک محلول HCl اشباع شده فرو برده می شود تا زیر لایه ی آلومینیوم غیر اکسیدی حل گردد[10،11].
دمای محلول تاثیر قابل توجهی بر زمان انحلال آلومینیوم ندارد، اما غلظت محلول و ضخامت نمونه ی آلومینیوم اولیه مهم بوده و بعنوان مثال برای انحلال یک بستر آلومینیوم با ضخامت 0.2mm با استفاده از محلول HCl با غلظتی در محدوده ی 25 تا 65% ،کمتر از 2 دقیقه زمان لازم است.

4-2- برداشتن لایه ی سدی و گشاد کردن حفره ها:
برداشتن لایه ی سدی جهت باز کردن حفره ها بوسیله ی سونش شیمیایی اکسید انجام می گیرد. ته نانوحفره ها با فرو بردن در یک محلول H3PO4 با زمان گشایشی که مستقیماً به ضخامت لایه ی سدی و در نتیجه به شرایط آندایز وابسته است، باز می شود. اگر زمان باز شدن حفره ها بطول بینجامد، گشاد شدن حفره ها نیز می تواند بطور هم زمان رخ دهد[12].
قطر حفره های باز شده می تواند با تغییر زمان سونش شیمیایی در یک محلول اسید فسفریک تنظیم شود. نرخ انحلال لایه ی سدی در 0.5M محلول H3PO4 تقریباً برابر 1.3nmv-1 بدست آمده است که با افزایش عمق حفره ی کانال های ستونی، این مقدار کاهش می یابد.
برای بدست آوردن آرایه ای منظم از نانوحفره ها با قطر حفره ای دلخواه، ابتدا انجام یک گشاد شدگی مهم می باشد. یک رابطه بین قطر حفره ((DP(nm) و زمان گشادشدگی ((tw(min) برای نمونه های آندایز شده در اکسالیک اسید 0.3M تحت ولتاژ 40v در 15 درجه سانتیگراد به صورت زیر گزارش شده است [13]:
filereader.php?p1=main_cda522d4353b166cc
نرخ پهن سازی حفره در 1M  محلول H3PO4 در 30 درجه سانتیگراد برابر1.83nm(min)-1 و برای 0.5M ، برابر 1nmmin-1 پیشنهاد شده است. رابطه ی پهن سازی حفره ها همچنین در 0.1M  محلول H3PO4 در دمای 30 درجه سانتیگراد نیز محاسبه شده است [14].
قطر حفره های گشاد شده می تواند به آسانی از روی تصاویر SEM یا AFMتعیین شود [15].

بحث و نتایج:
در این مقاله روش انباشت الکتروشیمیایی و اصول کلی آن بطور مختصر توضیح داده شد و پرکردن قالب-های آلومینای آندیک متخلخل با استفاده از این روش بررسی گردید. برای این کار می توان از سه روش استفاده کرد؛ یکی استفاده از ولتاژ dc در پرکردن این قالب ها که توضیح آن آورده شد و دو روش دیگر استفاده از ولتاژهای تناوبی و پالسی می باشد که این دو روش در مقاله بعدی آورده شده اند.
انباشت الکتروشیمیایی نیازمند برقراری جریان بین کاتد و آند موجود در محلولی شیمیایی بوده که در بالا به بررسی فرایند تولید یون ها در ناحیه ی آند و نشست آنها در کاتد پرداخته شد. همچنین عملیات آماده سازی نمونه جهت انباشت با استفاده از ولتاژ dc، که شامل برداشتن آلومینیوم پشت نمونه، انحلال لایه ی سدی و باز کردن ته حفره ها و نشاندن یک لایه ماده ی رسانا بر یک طرف سطح نمونه است، بیان شد.

منابـــع و مراجــــع

1. Eftekhari. A, “Nanostructured Materials in Electrochemistry”, Avicenna Institute of Technology Cleveland, (2008).

2. L. Sun, Y. Hao and C. Chien, IBM J. Res. and Dev. 49, 79 (2005).

3. Y. Z. Piao, H. C. Lim, J. Y. Chang, W. Y. Lee,H. S. Kim, Electrochim. Acta, 50, 2997 (2005).

4. S. K. Hwang, S. H. Jeong, H. Y. Hwang, O. J. Lee, K. H. Lee, Korean J. Chem. Eng, 19, 467–473 (2002).

5. J. Choi, G. Sauer, K. Nielsch, R. B. Wehrspohn, U. Gösele, Chem. Mater, 15, 776–779 (2003).

6. D. H. Choi, P. S. Lee, W. Hwang, K. H. Lee, H. C. Park, Curr. Appl. Phys, 6S1, e125–e129 (2006).

7. A. W. Hassel, B. Bello-Rodriguez, S. Milenkovic, A. Schneider, Electrochim. Acta, 50, 3033–3039 (2005).

8. S. Shigubara, O. Okino and Y. Sayama, Jpn. J. Appl. Phys. 36, 7791 (1997).

9. M. E. Mata-Zamora, J. M. Saniger, Rev. Mex. Fis. 51, 502–509 (2005).

10. G. D. Sulka, S. Stroobants, V. Moshchalkov, G. Borghs, J. P. Celis, J. Electrochem. Soc, 149, D97–D103 (2002).

11. Y. Jia, H. Zhou, P. Luo, S. Luo, J. Chen, Y. Kuang, Surf. Coat. Technol, 201, 513–518 (2006).

12. A. P. Li, F. Müller, U. Gösele, Electrochem. Solid State Lett, 3, 131–134 (2000).

13. S. K. Hwang, S. H. Jeong, H. Y. Hwang, O. J. Lee, K. H. Lee, Korean J. Chem. Eng, 19, 467–473 (2002).

14. J. Choi, G. Sauer, K. Nielsch, R. B. Wehrspohn, U. Gösele, Chem. Mater, 15, 776–779 (2003).

15. D. H. Choi, P. S. Lee, W. Hwang, K. H. Lee, H. C. Park, Curr. Appl. Phys, 6S1, e125–e129 (2006).

نظرات و سوالات

نظرات

0 0

اعظم نظری - ‏۱۳۹۴/۰۵/۰۲

http://nano.mehreganchem.com/

2 0

علی احمد عالم - ‏۱۳۹۳/۱۱/۳۰

در قسمت اصول کلی گفته شده است گرافیت یک فلز است که غلط است.

0 0

محسن بهمن یار

باسلام لطفا راهنمایی بفرمایید نحوه ای ارسال پروپوزال تایید شده از سوی دانشگاه مربوطه به ان مرکز چگونه می باشد . باتشکر

پاسخ مسئول سایت :
با سلام و وقت بخیر
در این زمینه شما باید به سایت ستاد ویژه توسعه فناوری نانو nano.ir ، که لینک آن در بالای صفحه نیز قرار دارد، رجوع نموده و بخش حمایت های تشویقی را مطالعه نمایید.