وبلاگ

یکی از روش­های تولید پوشش­های نانوساختاری، روش آبکاری الکتریکی است که ذرات در اثر اعمال جریان الکتریکی در پوشش قرار می­گیرند[1]. فرآیند آبکاری الکتریکی روشی است که در آن نمونه­ی موردنظر به­وسیله­ی لایه­های چسبیده و نازک از فلز دیگر پوشش داده می­شود تا ظاهر و یا خواص موردنظر آن بهتر شود. این فرآیند که شامل پوشش دادن یک فلز، آلیاژ و یا کامپوزیت بر روی فلزی دیگر با استفاده از جریان برق است، از بیش از صد سال پیش مورد توجه محققان قرار گرفته است و هدف ایجاد پوششی با ویژگی­های خاص از فلز است. با استفاده از این روش می­توان لایه­های نازک از مرتبه­ی چند نانومتر هم تولید نمود[2].

 

     لایه­نشانی یک فلز یا آلیاژ به وسیله­ی جریان الکتریکی در حضور میدان مغناطیسی اعمالی به­عنوان الکترولیز مغناطیسی[1] (ME) یا لایه­نشانی الکترولیتی مغناطیسی[2] شناخته می­شود[3]. در حال حاضر بررسی فصل مشترک بین خواص مغناطیسی مواد و الکتروشیمی یکی از زمینه­های جذاب مورد مطالعه در علوم بین رشته­ای است و با مطالعه­ی اثرات هر یک از این دو موضوع بر دیگری، می­توان به نتایج سودمندی دست یافت. به عنوان مثال در حین فرآیند آبکاری، میدان مغناطیسی می­تواند برای افزایش نرخ لایه­نشانی گونه­های مغناطیسی و غیرمغناطیسی به­کارگرفته شود[4]. هنگامی که میدان مغناطیسی به­طور موازی با سطح الکترودها بر یک پیل الکتروشیمیایی وارد می­شود، نیرویی به نام نیروی لورنتس عمود بر چگالی جریان و میدان مغناطیسی بر تمامی ذرات بارداری که در محلول الکترولیت حرکت می­کنند وارد می­شود و بر خواص لایه­های ساخته­شده اثر می­گذارد. تأثیر نیروی اعمالی بر مواد مختلف متفاوت است و بسته به این­که فلز آبکاری شده مغناطیسی و یا غیرمغناطیسی باشد، نتایج متفاوتی از اعمال میدان می­توان به­دست آورد[3،4]. ازجمله ویژگی­های بررسی شده نیز می­توان به ریخت­شناسی سطح، ساختار بلوری و هم­چنین جوانه­زنی در حضور میدان مغناطیسی اشاره­کرد. میدان مغناطیسی خارجی هم­چنین می­تواند بر فرآیند آبکاری الکتریکی آلیاژها نیز اثرگذار باشد[6]. به­طور مثال برای آلیاژ نیکل-آهن ترکیب آلیاژ با تغییر چگالی شار مغناطیسی تغییر می­کند[7]. هم­چنین ریخت­شناسی، زبری، جهت کریستالوگرافی لایه­های پوشش داده­شده[7] و خواص مغناطیسی این آلیاژ[5] نیز تحت تأثیر میدان مغناطیسی قرار می­گیرد. با این وجود ویژگی­های بسیاری از جمله خواص مغناطیسی لایه­های نازک مغناطیسی و غیرمغناطیسی تولیدشده در ابعاد نانویی با استفاده از این روش هنوز به­طور کامل مشخص نیست که این امر باعث ایجاد انگیزه در محققان و دانشمندان رشته­های فیزیک، شیمی و علم و مهندسی مواد برای مطالعه در این زمینه شده است.

 

     فرآیندهای الکتروشیمیایی به خاطر توانایی قابل توجهشان نسبت به سایر روش­ها از قبیل پوشش­دهی از بخار فیزیکی (PVD) و پوشش­دهی از بخار شیمیایی (CVD) در ایجاد ساختارهای یکنواخت و بدون حفره، برای تولید پوشش مس استفاده می­شوند. در اکثر موارد مشاهده شده است که ریزساختار پوشش­های مس به­راحتی در دمای اتاق تبلور مجدد می­یابند که منجر به ایجاد مشکلات اساسی در ارتباط با خواص الکترونیکی این پوشش­ها می­شود. تولید و ایجاد میدان مغناطیسی می­تواند یک روش امیدبخش برای کنترل منحصربه­فرد میکروساختار سطح باشد[8]. با انجام آبکاری در حضور میدان مغناطیسی جریان هیدرودینامیکی مغناطیسی[3] در محلول الکترولیت به­وسیله­ی برهم­کنش الکترومغناطیسی  که   جریان فارادی و  میدان مغناطیسی است القا می­شود. محققان زیادی به بررسی تأثیر جریان هیدرودینامیکی مغناطیسی بر خواص میکروساختاری سطح پوشش­های مس آبکاری­شده و واکنش الکتروشیمیایی پرداخته­اند که از آن­جمله می­توان به تحقیقات هیندز[4] و همکاران[9] اشاره کرد که نشان دادند در حضور میدان مغناطیسی کوچک­تر از 0.5 تسلا تغیر قابل­توجهی چه در ریخت­شناسی سطح و چه در بافت پوشش ایجاد نمی­شود. هم­چنین با افزایش میدان مغناطیسی تا میزان 0.6 تسلا تأثیر میدان مغناطیسی بر فرآیند آبکاری الکتریکی مستقل از جهت میدان و نحوه­ی قرارگیری الکترود است. با این حال آبکاری الکتریکی مس در حضور میدان مغناطیسی به­طور سیستماتیک بررسی نشده­است که دلیل آن می­تواند به پذیرفتاری مغناطیسی بسیار کوچک مولی   برگردد. لذا پتانسیل مغناطیسی در یک میدان ثابت)    که c غلظت،  نفوذپذیری مغناطیسی مولی یونی و  نفوذپذیری فضای آزاد است( بسیار کوچک و قابل چشم­پوشی در مقایسه با اثر هیدرودینامیکی مغناطیسی است.

 

     تعدادی تحقیق نیز در مورد تأثیر میدان مغناطیسی بر آبکاری الکتریکی نیکل وجود دارد. بر اساس مطالعات مربوط به  بازتاب الکترون­های تفرق یافته پرانرژی (RHEED) نیکل، آهن و کبالت یانگ[5] گزارش داد که یک میدان مغناطیسی اعمالی اثر ناچیزی بر جهت اصلی الکترون­ها دارد. اما افزایش در زبری سطح در اثر اعمال میدان عمود بر سطح الکترودها مشاهده شد[10]. بریلاس[6] و همکاران[11] بیان کردند که اعمال میدان مغناطیسی درحین فرآیند آبکاری الکتریکی نیکل چه به­صورت موازی و چه عمود بر سطح الکترودها، منجر به افزایش تراکم دانه­های نیکل و رشد با اندازه­ و شکل هندسی منظم­تر می­شود و نتیجه گرفتند که ریخت­شناسی سطح به شدت تحت تأثیر میدان مغناطیسی قرار می­گیرد.

 

     اخیراً باند و همکاران[12] تأثیر میدان مغناطیسی عمود بر رفتار الکتروشیمی مس و نیکل را بررسی کردند. افزایش چگالی جریان حدی با میدان بر اساس افزایش در جریان همرفت ایجاد شده به وسیله­ی جریان هیدرودینامیکی مغناطیسی توضیح داده شد. مشاهده شد که مواد با دانه­های ریزتر در حضور میدان مغناطیسی برای نیکل آبکاری شده ایجاد می­شود که این عامل به افزایش در جریان همرفتی که منجر به افزایش در نرخ لایه­نشانی می­شود نسبت داده­شد.

 

     مطالعات مربوط به تأثیر میدان مغناطیسی بر فرآیندهای الکتروشیمیایی معمولا با میدان موازی با سطح الکترودها انجام می­شود. در این حالت نیروی هیدرودینامیکی مغناطیسی حداکثر است. اگر هدف محدود کردن جریان همرفتی بر اثر نیروی هیدرودینامیکی مغناطیسی و مطالعه­ی نیروهای پارامغناطیس و اثرات گرادیان میدان باشد، میدان مغناطیسی به­صورت عمود بر سطح الکترودها اعمال می­شود.

 

     در این تحقیق با استفاده از فرآیند آبکاری الکتریکی ضربانی، پوشش نانوساختاری از فلزات نیکل و مس تهیه گردید و خواص ریزساختار، مغناطیسی و ریخت­شناسی این فلزات در دو حالت بدون اعمال میدان مغناطیسی و اعمال میدان حین انجام فرآیند آبکاری الکتریکی ضربانی با یکدیگر مقایسه شد.

 

 

 

1-1- تقسیم بندی مواد از لحاظ خاصیت مغناطیسی

 

 

 

از لحاظ خواص مغناطیسی و با توجه به چگونگی پاسخ به میدان مغناطیسی، مواد به دسته­های مختلفی تقسیم­بندی می­شوند که در زیر آمده است:

 

الف) مواد پارامغناطیس

 

ب) مواد دیامغناطیس

 

ج)مواد فرومغناطیس

 

د)مواد پادفرومغناطیس

 

ه) مواد فری­مغناطیس

 

1-1-1- مواد پارامغناطیس

 

 در مواد پارامغناطیس، قابلیت مغناطیسی شدن ماده یا همان پذیرفتاری مغناطیسی( ) دارای مقدار مثبت کوچکی است. مقدار  برای این مواد در دمای اتاق بین  تا    می­باشد. در این مواد گشتاور مغناطیسی اجزاء سازنده صفر نیست بلکه طرز قرار گرفتن این اجزاء طوری است که گشتاور مغناطیسی کل ماده صفر می­شود. در حین اعمال میدان مغناطیسی تنها تعدادی از گشتاورهای مغناطیسی با جهت میدان هم­راستا می­شوند. در دماهای معمولی  وابستگی اندکی به شدت میدان اعمال شده دارد. در حوالی صفر مطلق، مواد پارامغناطیس می­توانند به اشباع مغناطیسی برسند[13]. در جدول 2-1 پذیرفتاری مغناطیسی تعدادی از مواد پارامغناطیس ذکر گردیده است.

 

جدول ‏2‑1 تأثیرپذیری یا پذیرفتاری مغناطیسی تعدادی از مواد پارامغناطیس[13]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ماده	تأثیرپذیری مغناطیسی     (10-6 emu mol-1Oe-1)
آلومینیوم	165
کروم	180
سولفات کروم	11800
سولفات مس(CuS	12660
کلرید کبالت (Co )	1460
سولفات گادولونیوم     (Gd2 )	511200
اکسیژن ( )	20.8

 

1-1-2- مواد دیامغناطیس

 

در مواد دیامغناطیس  دارای مقدار منفی بوده و اندازه­ی آن از مرتبه­ی  است. الکترون­ها به صورت جفت بوده و گشتاور خالص اجزای سازنده­ی این مواد (اتم­ها، مولکول­ها یا یون­ها) صفر است. در این حالت  تقریبا مستقل از دما و شدت میدان اعمال شده به جسم است. علت منفی بودن  در این مواد به این علت است که تغییرات گشتاور مغناطیسی در حضور میدان مغناطیسی خارجی فقط ناشی از قانون لنز است. بر اساس این قانون، نیروی محرکه­ی القایی حاصل از تغییر شار مغناطیسی دارای قطب­هایی است که میدان مغناطیسی القایی حاصل از جریان آن با تغییر شار مغناطیسی اصلی مخالفت می­کند. بنابراین با افزایش یا کاهش میدان اعمالی سرعت حرکت الکترون­ها به­گونه­ای است که اثر میدان خارجی را تقلیل دهد[13]. در جدول 2-2 پذیرفتاری مغناطیسی تعدادی از مواد دیامغناطیس ذکرگردیده است.

 

 جدول ‏2‑2: تأثیرپذیری یا پذیرفتاری مغناطیسی تعدادی از مواد دیامغناطیس[14]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ماده	تأثیرپذیری مغناطیسی     (10-6 emu mol-1Oe-1)
آرگون	-19.6
کربنات کلسیم	-280
کربن (الماس)	-38.2
کربن (گرافیت)	-5.9
مس	-6.0
طلا	-5.46
هلیوم	-28
سرب	-1.66
جیوه	-23

 

1-1-3- مواد فرومغناطیس

 

مواد فرومغناطیس حتی در غیاب میدان خارجی سعی در موازی کردن گشتاور مغناطیسی اتم­های مجاور داشته و یک نظم مغناطیسی موسوم به نظم فرومغناطیسی به­وجود می­آورند. این نظم ناشی از نیروهای تبادلی بین اسپین الکترون­های اتم­های مجاور است. در این مواد گشتاور مغناطیسی اجزای سازنده صفر نیست و با اعمال میدان مغناطیسی گشتاورهای مغناطیسی آن­ها در جهت اعمال­شده هم­راستا می­شود. در مواد فرومغناطیس مقدار  عددی مثبت و از مرتبه چند صد تا چند میلیون است.  به دما وابسته است. با افزایش درجه حرارت خواص مغناطیسی ضعیف شده و سرانجام بسته به جنس ماده فرومغناطیسی در یک درجه حرارت معین موسوم به دمای کوری[1] خواص مغناطیسی از بین رفته و رفتار آن از لحاظ مغناطیسی مشابه رفتار مواد پارامغناطیسی می­شود. از مهم­ترین مواد فرومغناطیس می­توان به آهن، نیکل، کبالت و فلزات قلیایی خاکی اشاره کرد[13].

 

1-1-4- مواد پاد فرومغناطیس

 

در مواد پادفرومغناطیس اجزاء مغناطیسی دارای گشتاور مغناطیسی خالص مثبت هستند ولی این گشتاورها خلاف جهت هم بوده و یکدیگر را خنثی می­کنند. پادفرومغناطیس­ها در دمایی موسوم به دمای نیل[2] که آن را با  نشان می­دهند، در اثر آشفتگی حرارتی رفتار پارامغناطیس دارند. در دماهای پایین­تر از دمای نیل با افزایش دما قابلیت مغناطیسی آن­ها افزایش می­یابد. دمای نیل دمایی است که در آن خواص مغناطیس­زدا در جسم به حداقل رسیده­اند. در این مواد  عددی مثبت و بین  تا  است.  به طرز خاصی به دما وابسته است. با افزایش دما از صفر مطلق،  به­طور یکنواخت زیاد می­شود.  در دمای نیل به حداکثر مقدار خود می­رسد. با افرایش دما از دمای نیل مقدار  از قانون کوری پیروی کرده و کاهش می­یابد. در این مواد معمولاً دو شبکه فری­مغناطیس وجود دارد به قسمی که گشتاور مغناطیسی حوزه­های متعلق به هرکدام از دو شبکه مزبور پادموازی بوده و اثر مغناطیس هم را از بین می­برند[13].