[نانوساختارها] - نانوساختارهای متخلخل

P O U R I A

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
اخیراً ساختار سه‌تایی دیواره‌ی سلول، چنان‌چه در شکل 4-ب دیده می‌شود، گزارش شده است [12]. لایه‌های خارجی و میانی، توسط گونه‌های الکترولیت، عمدتاً با پروتون و آنیون، ناخالص می‌شوند. لایه‌ی خارجی به‌وسیله‌ی آنیون‌ها و پروتون‌ها غنی می‌شود؛ در حالی‌که لایه‌ی میانی به طور عمده شامل آنیون‌هاست. لایه‌ی داخلی نیز از آلومینای خالص تشکیل شده است.
مقدار آب درون لایه‌ی آلومینای متخلخل، از 1 تا 15 درصد تغییر می‌کند [10 و 13]. به طور کلی میزان آب درون آلومینای متخلخل، به شرایط آندایز و تکنیک‌های اندازه‌گیری و جابه‌جا کردن نمونه بستگی دارد. لایه‌های اکسیدی متخلخل که در الکترولیت اسید سولفوریک شکل می‌گیرند، اساساً خشک هستند [14].



شکل 5- جاهای خالی در ساختار آلومینای آندی متخلخل [9].​


اونو و همکارانش (Ono et al.) گزارش کردند که در ساختار آلومینای متخلخل، فضاهایی خالی (Void)، مطابق شکل‌های 5 و 6، روی نوک برآمدگی‌های آلومینیوم، در سطح مشترک فلز و اکسید، در لایه‌ی داخلی دیواره‌های سلول مشاهده می‌شود. پیشنهاد شده است که این فضاهای خالی، که به دلیل حرکت اکسیژن به وجود آمده‌اند، برای تحمل فشار در لایه ایجاد می‌شوند. فضاهای خالی تشکیل شده در لایه‌ی اکسید متخلخل، با افزایش پتانسیل آندایز افزایش می‌یابد [15 و 16].


شکل 6- مراحی تشکیل جاهای خالی در ساختار آلومینای آندی متخلخل [9].​
 
P O U R I A

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
4- پارامترهای هندسی مشخصه‌ی نانوحفره‌های آلومینای آندی
نانوساختارهای منظم، اغلب با پارامترهایی مانند قطرحفره (Pore diameter)، فاصله‌ی بین حفره‌ای (Interpore distance)، ضخامت دیواره (Wall thickness)، ضخامت لایه‌ی سدی (Barrier layer thickness)، تخلخل (Porosity)، چگالی حفره (Pore density) و ضخامت لایه‌ی اکسید توصیف می‌شوند. در اینجا سه مورد اول توضیح داده می¬شود و سایر موارد در مقاله‌ی نانوحفره‌های اکسید آلومینیوم 3 مورد بررسی قرار می‌گیرد.

1-4-قطر حفره
عموماً برای ساختار آلومینای آندی متخلخل، قطر حفره با پتانسیل آندایز رابطه‌ی خطی دارد و ثابت تناسب این رابطه، λp، برای آندایز نرم، برابر با 9/0 نانومتر بر ولت و برای آندایز سخت، 4/0 نانومتر بر ولت می‌باشد [2] (آندایز نرم و سخت در مقاله‌ی فرآیند آندایز 2، معرفی شده‌اند):

رابطه (Dp = λp . U (12 ​

Dp معرف قطر حفره (nm) و U معرف پتانسیل آندایز (V) می‌باشد. وابستگی قطر حفره به پتانسیل آندایز، نسبت به تغییر الکترولیت حساس نیست. در توصیف ساختار آلومینای آندی متخلخل، عموماً محققان اصطلاح لایه‌ی خارجی (Outer layer) را برای نواحی نزدیک سطح لایه‌ی اکسید، و اصطلاح لایه‌ی داخلی (Inner layer) را برای نواحی نزدیک به انتهای حفره‌ها، به کار می‌برند. در حالت پایدار، با گذشت زمان، تغییر محسوسی در قطر حفره‌های لایه‌ی اکسید خارجی مشاهده نمی‌شود؛ قطر زیادتر حفره‌ها در نزدیکی سطح لایه‌ی اکسید، نتیجه‌ی رشد اولیه و بی‌قاعده‌ی لایه‌ی آلومینای متخلخل در مراحل اولیه‌ی رشد است [8، 10 و 15].
بدیهی است که دمای الکترولیت و شرایط هیدرودینامیکی درون سلول الکتروشیمیایی بر روی قطر حفره‌ها تأثیرگذار می‌باشد. در آندایز در دماهای بالاتر (نزدیک دمای اتاق)، افزایش قابل توجهی در سرعت انحلال شیمیایی لایه‌ی اکسید خارجی، خصوصاً در الکترولیت‌های با خاصیت اسیدی قوی، انتظار می‌رود [10]. از طرف دیگر، کاهش سرعت هم زدن الکترولیت حین آندایز تحت پتانسیل ثابت، باعث افزایش دمای محلی در لایه‌ی اکسید داخلی شده و بنابراین چگالی جریان را افزایش می‌دهد [18]؛ در نتیجه‌ی این امر، انحلال شیمیایی لایه‌ی اکسید داخلی و هم چنین شکل گیری الکتروشیمیایی لایه‌ی اکسید آندی، با سرعت بیشتری انجام می‌گیرد و در نهایت قطر حفره‌های تشکیل شده کوچک‌تر خواهد بود. در شکل 7 تأثیر هم زدن الکترولیت روی قطر حفره‌ها، شرح داده شده است.



شکل 7- تأثیر هم زدن الکترولیت روی قطر حفره‌های آلومینای آندی.​


از دیگر مواردی که بر روی مقدار قطر حفره‌ها مؤثر می‌باشد می‌توان به غلظت الکترولیت، pH الکترولیت و زمان آندایز اشاره کرد.
 
P O U R I A

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
2-4- فاصله‌ی بین حفره‌ها
عموماً پذیرفته شده است که فاصله‌ی بین حفره‌ای در ساختار آلومینای آندی متخلخل، با پتانسیل رشد لایه‌ی اکسیدی رابطه‌ی خطی دارد و ثابت تناسب این رابطه، λc، برای آندایز نرم، تقریباً برابر 2.5 نانومتر بر ولت و برای آندایز سخت، در محدوده‌ی 2-1.5 نانومتر بر ولت می‌باشد [19] (فرآیندهای آندایز نرم و سخت در مقاله‌ی فرآیند آندایز 2، معرفی شده‌اند):

رابطه(Dc = λc . U (13​

تحقیق شده است که فاصله‌ی بین حفره‌ای می‌تواند به صورت جزئی، در پتانسیل ثابت، وابسته به دمای آندایز و یا مستقل از آن باشد. اگر آندایز در حضور اسید اکسالیک، به عنوان الکترولیت، انجام شود، فاصله‌ی بین حفره‌ای وابسته به دما نخواهد بود [20]. برخلاف این، اگر الکترولیت آندایز، اسید سولفوریک باشد، فاصله‌ی بین حفره‌ای وابستگی به دما خواهد داشت [21].
در تحقیقات انجام شده توسط اوسالیوان و وود، نشان داده شده است که افزایش غلظت الکترولیت، فاصله‌ی بین حفره‌ای را کاهش می‌دهد [2]. آن‌ها آندایز را در الکترولیت اسید سولفوریک و در چگالی جریان ثابت انجام دادند و مشاهده کردند که افزایش دمای آندایز هم به میزان افزایش غلظت الکترولیت روی کاهش فاصله‌ی بین حفره‌ای تأثیر می‌گذارد.

4-3- ضخامت دیواره
طبق تحقیقات اوسالیوان و وود، قطر حفره برای آندایز تحت پتانسیل ثابت، از رابطه‌ی زیر محاسبه می‌شود [2]:

رابطه (Dp = Dc – 2W (14 ​

که در آن Dp قطر حفره، Dc فاصله‌ی بین حفره‌ای و W ضخامت دیواره است. به این ترتیب ضخامت دیواره را می‌توان از رابطه‌ی فوق، به شکل زیر محاسبه کرد:


رابطه (W = (Dc – Dp) / 2 (15

​
آنها هم چنین نشان دادند که برای آندایز در اسید فسفریک، ضخامت دیواره با ضخامت لایه‌ی سدی رابطه‌ی خطی دارد:


رابطه(W = 0.71B (16 ​
آن‌ها گزارش کردند که تناسب بین ضخامت دیواره و ضخامت لایه‌ی سدی در آندایز در الکترولیت اسید اکسالیک، در محدوده‌ی ولتاژ 5 تا 40 ولت، کمی تغییر می‌کند. برای ولتاژهای بین 5 تا 20 ولت، این ثابت تناسب برابر 0.66 می‌باشد که با بالا رفتن ولتاژ تا رسیدن به 40 ولت، این مقدار نیز به آرامی افزایش پیدا می‌کند و نهایتاً به مقدار 0.89 می‌رسد [2].

 
P O U R I A

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
5- نتیجه گیری

یون‌های [SUP]–[/SUP]OH و [SUP]-[/SUP]O[SUP]2[/SUP] مهم‌ترین عوامل شکل‌گیری لایه‌ی اکسید متخلخل شناخته شده‌اند که هرکدام از طریق واکنش‌های مربوط به خود، وارد فرآیند آندایز می‌شوند. این یون‌هایی که به دیواره‌ی سلول‌ها نفوذ می‌کنند، خصوصیات لایه‌ی آلومینای متخلخل را تعریف می‌نمایند. ساختارهای دوتایی و سه‌تایی برای دیواره‌ی سلول‌ها پیشنهاد شده است که در هر دو مورد، لایه‌ی داخلی دیواره متشکل از آلومینای خالص می‌باشد.
در ساختار آلومینای متخلخل، فضاهایی خالی روی نوک برآمدگی‌های زیر لایه‌ی آلومینیوم، در سطح مشترک فلز و اکسید، در لایه‌ی داخلی دیواره‌های سلول مشاهده می‌شود که برای تحمل فشار در لایه ایجاد می‌شوند.
با توجه به آنچه گفته شد، پارامترهای هندسی از قبیل قطر حفره‌ها، فاصله‌ی بین حفره‌ای و ضخامت دیواره‌ی سلول‌ها، تحت تأثیر عواملی مانند ولتاژ آندایز، دمای الکترولیت، غلظت الکترولیت و عوامل دیگر، قابل کتنرل می‌باشند.
 
P O U R I A

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
در ادامه .....

هدف از ارائه‌ مقالات «نانوحفره‌های اکسید آلومینیوم»، آشنایی با ساختار این آلومینای متخلخل و نحوه‌ شکل‌گیری آن و همچنین آشنایی با عوامل کنترل پارامترهای هندسی حفره‌ها می‌باشد. تاکنون در مورد ساختار و عملکرد لایه‌ اکسید در حضور میدان، واکنش‌هایی که در طی فرآیند آندایز رخ می‌دهند و نیز ساختار دیواره‌ سلول‌های شش وجهی در این آرایه، بحث شده است. همچنین مکانیزم رشد لایه‌ اکسید متخلخل در حالت پایا و پارامترهای قطر حفره، فاصله‌ بین حفره‌ای و ضخامت دیواره‌ها، مورد بررسی قرار گرفت. در این مقاله به توضیح سایر پارامتر‌های هندسی مانند ضخامت لایه‌ سدی، تخلخل، چگالی حفره و . . . و همچنین تأثیر شرایط آندایز روی تغییر هرکدام از این مشخصات، ‌پرداخته می شود.
 
P O U R I A

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
1- مقدمه
در مقاله‌ی قبل، ثأثیرشرایط آندایز مانند پتانسیل اعمالی، دما و غلظت الکترولیت و .... روی خصوصیات هندسی ساختار آلومینای متخلخل بررسی شد. به عبارت دیگر، با تغییر شرایط آندایز می‌توان پارامترهای هندسی آلومینای متخلخل را کنترل کرد و به این ترتیب به ساختار مورد نظر دست یافت. در ادامه، سایر خصوصیات نانوحفره‌های آلومینا، مورد بررسی قرار می گیرد.

2- پارامترهای هندسی مشخصه‌ی نانوحفره‌های آلومینای آندی
در این قسمت، عوامل کنترل کننده‌ی پارامترهایی مانند ضخامت لایه‌ی سدی (Barrier layer thickness)، تخلخل (Porosity)، چگالی حفره (Pore density) و ضخامت لایه‌ی اکسیدی معرفی می‌شود.

1-2- ضخامت لایه‌ی سدی
در حین آندایز آلومینیوم، یک لایه‌ی دی الکتریک بسیار نازک، چگال و فشرده در انتهای حفره‌ها شکل می‌گیرد که لایه‌ی سدی نام دارد. این لایه، ماهیتی مانند لایه‌ی اکسیدی که به طور طبیعی در اتمسفر تشکیل می‌شود، دارد و تنها هنگامی اجازه‌ی عبور جریان را می‌دهد که در ساختارش نقص‌هایی وجود داشته باشد. حضور این لایه‌ی سدی فشرده در انتهای حفره‌ها، انباشت الکتروشیمیایی فلزات به درون حفره‌ها را تقریباً غیر ممکن می‌سازد. با در نظر گرفتن این محدودیت، ضخامت لایه‌ی سدی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار می‌شود؛ و به نوعی عامل تعیین کننده‌ای برای کاربردهای بعدی نانوحفره‌های ساخته به وسیله‌ی آندایز خواهد بود.
ضخامت لایه‌ی سدی به طور مستقیم به پتانسیل آندایز وابسته است. در برخی گزارشات، به تغییرات ضخامت لایه‌ی سدی با تغییر غلظت الکترولیت نیز اشاره شده است. در بررسی داده‌های آزمایشگاهی، محققان به این نتیجه رسیده‌اند که تغییرات ضخامت لایه‌‌ی سدی با ولتاژ آندایز، وابسته به این است که آندایز در رژیم پتانسیل ثابت یا در رژیم چگالی جریان ثابت انجام شده باشد [1]. با افزایش دمای آندایز، در رژیم پتانسیل ثابت، کاهش ضخامت لایه‌ی سدی مشاهده شده است؛ در صورتی که در رژیم جریان ثابت، رابطه‌ای درست برعکس آن دیده شده است. به همین ترتیب افزایش غلظت اسید فسفریک در دمای ثابت، برای آندایز در پتانسیل ثابت، کاهش ضخامت لایه‌ی سدی و در آندایز در چگالی جریان ثابت، افزایش این کمیت را به همراه دارد.
 
P O U R I A

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
تأثیر پتانسیل آندایز روی ضخامت لایه‌ی سدی در ساختار آلومینیوم آندی متخلخل، که در الکترولیت‌های مختلف تشکیل شده‌اند، در شکل 1 نشان داده شده است. خط قطری نقطه چین در این نمودار، مربوط به نرخ آندایز، BU (نسبت بین ضخامت لایه‌ی سدی و پتانسیل آندایز)، برابر 1 نانومتر بر ولت می‌باشد.





شکل 1- ضخامت لایه‌ی سدی در ساختار آلومینای آندی، در الکترولیت‌های مختلف [2].​


به طور کلی نرخ آندایز، برای الکترولیت‌های مختلف و در کل محدوده‌ پتانسیل آندایز، بسیار نزدیک به 1 نانومتر بر ولت به دست آمده است. این نتیجه، یک رابطه‌ عمومی بین نرخ آندایز و پتانسیل آندایز را پیشنهاد می‌کند. نیلچ و همکارانش (Nielsch et al.) برای بهترین شرایط خود نظم یافته‌ی آندایز که منجر به 10 درصد تخلخل نانوساختار و چیدمان شش گوشی کامل نانوحفره‌ها می‌شود، رابطه‌ی زیر را برای ضخامت لایه‌ی سدی و فاصله‌ی بین حفره‌ای پیشنهاد کردند [3]:

(1) B ≈ Dc / 2
که در آن، B ضخامت لایه‌ی سدی است.
 
P O U R I A

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
2-2- تخلخل
تخلخل به عنوان نسبت سطح اشغال شده توسط حفره‌ها به کل سطح لایه‌ اکسید متخلخل، تعریف می‌شود. برای یک شش ضلعی منظم با یه حفره در مرکز آن، فرمول تخلخل به صورت زیر نوشته می‌شود:

(2) α = Spores / S = Sp / Sh

فرض می‌کنیم که هر حفره‌ی تنها، یک دایره‌ی کامل باشد. بنابراین برای Sp و Sh خواهیم داشت:

(3) Sp = π (Dp / 2) [SUP]2[/SUP]

(4) Sh = (√3 / 2) Dc[SUP]2[/SUP]
با جایگذاری روابط (3) و (4) در رابطه‌ی (2)، عبارت زیر برای محاسبه‌ی تخلخل نانوساختاری متشکل از آرایه‌ی سلول‌های شش گوشی به دست می‌آید:

(5) (α = (π / 2√3) (Dp / Dc

تخلخل نانوساختارهای تولید شده به وسیله‌ی آندایز آلومینیوم، به طور اساسی به نرخ رشد لایه‌ی اکسید و نرخ انحلال شیمیایی آن در الکترولیت اسیدی و هم چنین به شرایط آندایز از جمله نوع الکترولیت، غلظت الکترولیت، پتانسیل و دمای آندایز بستگی دارد. مهم‌ترین فاکتور در تعیین میزان تخلخل نانوساختار آلومینای آندی، پتانسیل آندایز و pH الکترولیت مورد استفاده، می‌باشد. کاهش نمایی تخلخل با افزایش پتانسیل آندایز در اسید سولفوریک و اسید اکسالیک گزارش شده است [4].
همان طور که انتظار می‌رود، تخلخل نانوساختارها ممکن است تحت تأثیر زمان آندایز نیز باشد. طولانی شدن مدت زمان آندایز، اغلب منجر به افزایش تخلخل نانوساختار تشکیل شده در تترابورات و اسید فسفریک می‌گردد [5].
افزایش دمای آندایز، باعث کاهش میزان تخلخل در نانوساختار تشکیل شده در اسید اکسالیک می‌شود، در صورتی که در آندایز در اسید سولفوریک اثر معکوسی مشاهده می‌گردد [6].
 
P O U R I A

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
3-2- چگالی حفره
در صنعت میکروالکترونیک، نانومواد با نظم بالا و با ساختاری شامل آرایه‌ای فشرده از نانوحفره‌ها یا نانوتیوب‌ها، بسیار مورد توجه هستند. نانوحفره‌های آلومینای آندی متخلخل، به دلیل تقارن شش وجهی سلول‌ها، یک نانوساختار با بالاترین چگالی و فشرد‌گی می‌باشد؛ و بنابراین تعداد حفره‌هایی که در حین آندایز شکل می‌گیرند، نمایانگر یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های آلومینای متخلخل است.
برای توزیع شش گوشی سلول‌ها در نانوساختارها، چگالی حفره‌ها به عنوان تعداد کل حفره‌هایی که مساحت 1 سانتی‌متر مربع را اشغال کرده‌اند، تعریف می‌شود. رابطه‌ای که برای محاسبه‌ی چگالی حفره‌ها پیشنهاد شده است، به صورت زیر می‌باشد:

(6) n = 10[SUP]14[/SUP] / Ph = (2 × 10[SUP]14[/SUP] / √3) . Dc[SUP]2[/SUP]

Ph مساحت سطح یک تک سلول شش گوشی (nm[SUP]2[/SUP]) است و Dc در ابعاد نانومتر می‌باشد. با جایگذاری Dc از رابطه‌ی Dc = λc . U ، خواهیم داشت:

(7) n = (2 × 10[SUP]14[/SUP] / √3 λc[SUP]2[/SUP]×U[SUP]2[/SUP] ) ≈ 18.475 × 10[SUP]14[/SUP] / U[SUP]2[/SUP]

چنانچه از روابط (6) و (7) اننظار می‌رود، افزایش پتانسیل آندایز یا فاصله‌ی بین حفره‌ای، منجر به کاهش تعداد حفره‌های ساخته شده در ساختار آلومینای متخلخل می‌گردد [7].
 
P O U R I A

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
4-2- ضخامت لایه‌ اکسیدی
روش‌های مختلف و گسترده‌ای برای اندازه‌گیری ضخامت لایه‌ی آلومینای آندی متخلخل وجود دارد [8]. اخیراً تکنیک‌های اپتیکی و میکروسکوپی مانند (SEM =Scanning Electron Microscope) و( TEM Transmission Electron Microscopy) برای ارزیابی ضخامت لایه‌ اکسید آندی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
به طور کلی پذیرفته شده است که در آندایز با جریان ثابت، ضخامت اکسید مطابق رابطه‌ی زیر، به طور خطی با افزایش چگالی جریان، افزایش می‌یابد [9] :

(8) h = k . i . t

که i چگالی جریان (mA/cm[SUP]2[/SUP]) بوده ، t زمان (s) و k مقداری ثابت و مستقل از چگالی جریان و دماست. مقدار k برای آندایز جریان ثابت در اسید سولفوریک 1.53 مولار، حدود [SUP](6-)[/SUP]10×3.09 با (cm[SUP]3[/SUP]/mA.min) تخمین زده شده است [9 و 10].

ضخامت لایه‌ی اکسیدی تشکیل شده تحت آندایز با پتانسیل ثابت نیز می‌تواند به شکل زیر محاسبه شود:

(9) h = k ∫ i(t) dt

انتگرال روی بازه‌ی 0 تا t گرفته می‌شود.
ضخامت لایه‌ی اکسید رشد یافته در رژیم پتانسیل ثابت در الکترولیت اسید اکسالیک 0.3 مولار را می‌توان به آسانی، از تصاویر SEM سطح مقطع لایه و نرخ تشکیل اکسید در دماهای مختلف، طبق رابطه‌ی زیر تخمین زد [11] :

(10) Rh = 392.30 – 26.92 U + 0.63 U[SUP]2[/SUP] : در دمای 5 درجه سانتیگراد

(11) Rh = 123.43 – 9.19 U + 0.23 U[SUP]2[/SUP] : در دمای 15 درجه سانتیگراد

(12) Rh = 15.33 – 3.71 U + 0.095 U[SUP]2[/SUP] : در دمای 30 درجه سانتیگراد

در کل، حالت پایدار رشد آلومینای آندی متخلخل، نتیجه‌ی تعادل بین نرخ رشد و انحلال لایه‌ی اکسید می‌باشد. مقدار کلی اکسید حل شده، مجموع انحلال شیمیایی ناشی از حضور میدان الکتریکی و سونش شیمیایی است. از این رو انحلال لایه‌ی اکسید باید تابعی از غلظت یون‌های هیدروژن در الکترولیت آندایز باشد؛ که خصوصاً با جذب [SUP]+[/SUP]H تسریع می‌گردد [12 و 13]. نرخ انحلال میدانی آلومینای متخلخل در دمای اتاق حدود 300 نانومتر بر دقیقه است، در صورتی که مقدار آن در غیاب میدان (انحلال شیمیایی) در حدود 0.1 نانومتر بر دقیقه می‌باشد.کنترل دقیق رشد آلومینای متخلخل نیاز به دسترسی به اطلاعات دقیق مرتبط با نرخ انحلال شیمیایی اکسید در الکترولیت‌های اسیدی دارد که این اطلاعات اجازه‌ی کنترل دقیق قطر نانوحفره را نیز می‌دهد.
 
P O U R I A

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
2-5- انبساط حجم
انبساط حجم آلومینای آندی متخلخل (R)، تحت عنوان نسبت پلینگ–بدورس، PBR (Pilling-Bedworth Ratio)، هم شناخته می‌شود. انبساط حجم به صورت نسبت حجم اکسید آلومینیوم، که در فرآیند آندایز تولید شده است، به حجم آلومینیوم مصرف شده، تعریف می‌شود:

(R = VAlumina / VAl = MAlumina . dAlumina / MAl . dAl (13
در این رابطه، MAlumina وزن مولکولی اکسید آلومینیوم، MAl وزن اتمی آلومینیوم، dAlumina چگالی آلومینای متخلخل (3.2gr/cm[SUP]3[/SUP]) و dAl چگالی آلومینیوم ( 2.7gr/cm[SUP]3[/SUP]) می‌باشند.
مقدار نظری PBR برای تشکیل آلومینای آندی متخلخل با بازدهی 100% جریان، 1.6 است. مقدار تجربی انبساط حجمی، به دلیل بازدهی زیر 100% جریان، اندکی با مقدار نظری آن متفاوت می‌باشد و معمولا از 0.9 تا 1.6 تغییر می‌کند [14]. به این ترتیب، همانگونه که در شکل 2 نیز قابل مشاهده است، حجم آلومینیوم طی فرآیند آندایز، به مقدار چشمگیری افزایش می‌یابد.


شکل 2- نمای شماتیکی از میزان انبساط حجمی اکسید آلومینیوم طی فرآیند آندایز.​
 
P O U R I A

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
3- عوامل مؤثر بر پارامترهای هندسی ساختار آلومینای متخلخل
شرایط آندایز که شامل نوع الکترولیت، چگالی الکترولیت، پتانسیل آندایز، دما، هم زدن الکترولیت و زمان آندایز می‌باشد، تأثیر به سزایی روی انواع پارامترهای ساختاری آلومینای آندی متخلخل مانند قطر حفره، فاصله‌ی بین حفره‌ای، تخلخل و چگالی حفره دارد. آرایش حفره‌هایی که در شرایط مختلف تولید شده‌اند، با بزرگ‌نمایی یکسان، در شکل 3 نمایش داده شده است.



شکل 3- تصاویر SEM از انتهای حفره های آلومینای آندی با آرایش فشرده شش گوشی نانوحفره ها، پس از باز کردن حفره ها. نانوساختارها تحت آندایز خود نظم یافته و در الکترولیت‌های مختلف در (الف) 10 درجه سانتیگراد، (ب) 5 درجه سانتیگراد و (ج) 3 درجه سانتیگراد تولید شده‌اند [15].​
 
P O U R I A

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
3-1- تأثیر پتانسیل
همان طور که قبلاً گفته شد، فاصله‌ی بین حفره‌ها با پتانسیل آندایز رابطه‌ی خطی دارد و بنابراین با افزایش پتانسیل، فاصله‌ی بین حفره‌ای نیز افزایش پیدا می‌کند. این حقیقت در شکل‌های 4 و 5 به وضوح دیده می‌شود.



شکل 4- تصاویر SEM از نانوحفره‌های آلومینای آندایز شده در ولتاژهای مختلف و در الکترولیت اسید اکسالیک 0.3 مولار در (الف و ب) 5 درجه سانتیگراد و (ج) 5 ذرجه سانتیگراد.



شکل 5- تأثیر پتانسیل آندایز بر روی فاصله‌ی بین حفره‌ای، برای آلومینای آندی متخلخل تشکیل شده در الکترولیت‌های محتلف. پیکان‌های نقطه‌چین مربوط به آندایز سخت در الکترولیت‌های اسید سولفوریک، اسید اکسالیک و اسید فسفریک می‌باشد [17].​


باید خاطر نشان کرد که تأثیر پتانسیل آندایز بر روی قطر حفره‌ها کمتر از اثر آن بر فاصله‌ی بین حفره‌ایست.
 
P O U R I A

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
2-3- تأثیر نوع الکترولیت
هر الکترولیت مربوط به محدوده‌ی مشخصی از پتانسیل آندایز می‌باشد. آنالیز داده‌ها نشان می‌دهد که بیشترین چگالی حفره‌ها، در آندایز با الکترولیت اسید سولفوریک حاصل می‌شود [2].

3-3- تأثیر هم زدن الکترولیت
هم زدن الکترولیت (Stirring) در حین انجام فرآیند آندایز، امری ضروری و غیر قابل تردید است. در حقیقت بدون هم زدن الکترولیت، دما در انتهای حفره‌ها به طور چشمگیری افزایش می‌یابد [18]. در اثر خروج ضعیف گرما، شکست لایه‌ی اکسیدی و یا حل آندی، خصوصاً در جریان‌های بالا (رژیم سخت)، به راحتی اتفاق می‌افتد (فرآیند آندایز سخت در مقاله‌ی فرآیند آندایز 2، معرفی شده است). علاوه بر این، ترکیبات الکترولیت در ته حفره‌ها با بالک الکترولیت متفاوت می‌شود [19 و 20]. به طور کلی با افزایش سرعت هم زدن الکترولیت و کاهش غلظت اسیدی آن، رشد خود نظم یافته‌ی حفره‌ها اتفاق می‌افتد و مقادیر بالاتر پتانسیل را می‌توان اعمال کرد. هم زدن الکترولیت یکی از پارامترهای مهم در هندسه ساختار آلومینای متخلخل، یعنی قطر حفره‌ها، می باشد.

4-3- تأثیر دمای آندایز
با افزایش دمای آندایز، محدوده‌ی پتانسیل آندایز کم می‌شود. چنانچه در دمای 10درجه سانتیگراد آلومینای متخلخل، تنها در گستره‌ی 17 تا 25 ولت تشکیل می‌شود.
بررسی نتایج تجربی حاکی از این است که دمای آندایز تأثیر چندانی بر تغییر فاصله‌ی بین حفره‌ای و ضخامت لایه‌ی سدی ندارد [2]؛ اما تغییرات قطر حفره و ضخامت دیواره با تغییر دمای آندایز، قابل توجه می‌باشد. به طور کلی با افزایش دمای آندایز، قطر حفره افزایش یافته و ضخامت دیواره کاهش پیدا می‌کند. کمترین سرعت حل شدن لایه‌ی اکسید در دمای 8- درجه سانتیگراد اتفاق می‌افتد و کوچک‌ترین حفره‌ی تولید شده نیز در همین دما، گزارش شده است. به همین ترتیب، نازک‌ترین دیواره‌های سلولی در بیشترین دمای مطالعه شده، مشاهده می‌شود.
 
P O U R I A

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
دمای آندایز بر میزان تخلخل لایه‌ی آلومینای آندی و چگالی حفره نیز مؤثر است. تخلخل لایه‌ی اکسید آلومینیوم، در کل محدوده‌ی پتانسیل و برای تمام دماهای مطالعه شده، بین 10 تا 20 درصد می‌باشد.
در شکل 6 تأثیر دمای آندایز بر فاصله‌ی بین حفره‌ها، قطر حفره‌ها، ضخامت دیواره، ضخامت لایه‌ی سدی، تخلخل و چگالی حفره‌های آلومینای آندی نشان داده شده است.



شکل 6- تأثیر دمای آندایز، بر حسب تغییرات پتانسیل، روی پارامترهای (الف) فاصله‌ی بین حفره‌ای، (ب) قطر حفره، (ج) ضخامت دیواره، (د) ضخامت لایه‌ی سدی، (ه) تخلخل و (و) چگالی حفره‌ها؛ برای نمونه‌ی آندایز شده در الکترولیت اسید سولفوریک 2.4 مولار [2].​



5-3-تأثیر زمان آندایز
به طور کلی پذیرفته شده است که، با وجود این‌که مدت زمان آندایز روی قطر حفره‌ها اثر می‌گذارد، اندازه‌ی سلول را تغییری نمی‌دهد [21]. با بالا رفتن مدت زمان آندایز، قطر حفره‌ها افزایش پیدا می‌کند؛ این پدیده، تنها ناشی از حل شیمیایی لایه‌ی اکسید نمی‌باشد، بلکه به هم آمیختن (Coalescence) و شکل گیری دیواره‌ی محکم حفره نیز در وقوع این امر تأثیر گذار می‌باشد [21].

مدت آندایز هم‌چنین بر نظم چیدمان حفره‌ها نیز تأثیر می‌گذارد؛ با افزایش زمان آندایز در الکترولیت‌های مختلف، آرایه‌ی نانوحفره‌ها منظم‌تر می‌شود [17]. علاوه بر این، با گذشت زمان، تعداد ترک‌ها و نقص‌های خطی (Dislocation) نیز در ساختار آلومینای متخلخل کاهش می‌یابد.
 
P O U R I A

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
4- نتیجه گیری

عوامل اصلی مؤثر در مقدار ضخامت لایه‌ی سدی، پتانسیل آندایز و غلظت الکترولیت هستند؛ اما چگونگی تأثیر آن‌ها روی ضخامت لایه‌ی سدی، بسته به این موضوع است که فرآیند آندایز در رژیم پتانسیل ثابت انجام شود یا در رژیم جریان ثابت.
انبساط حجمی آلومینای آندی متخلخل که به صورت نسبت حجم اکسید آلومینیوم، که در فرآیند آندایز تولید شده است، به حجم آلومینیوم مصرف شده، تعریف می‌شود، با چگالی و وزن مولکولی آلومینا نسبت مستقیم و با چگالی و وزن مولکولی آلومینیوم، نسبت عکس دارد.
به طور کلی، فاکتورهایی مانند پتانسیل آندایز، نوع و غلظت الکترولیت و هم ‌چنین دمای آندایز، به صورت مستقیم یا غیر مستقیم روی خصوصیات هندسی ساختار آلومینای متخلخل تأثیر می‌گذارد.
 
A

arshia.amiri

عضو جدید
خسته نباشید . من از کجا میتونم refrenc های این هایی که نوشتینو پیدا کنم؟
ممنون میشم بگین.
 
bid-majnoon

bid-majnoon

عضو جدید
arshia.amiri گفت:
خسته نباشید . من از کجا میتونم refrenc های این هایی که نوشتینو پیدا کنم؟
ممنون میشم بگین.
کلیک کنید تا باز شود...

سلام
خودشون قطعا جواب بهتری می تونند بهتون بدن،
اما از هر مطلب اگه یکی دو خطش رو کپی کنید و تو گوگل بزنید، یه سری نتیجه بهتون نشون میده که ممکنه reference اصلی مطلب رو هم بتونین توش پیدا کنید.
 
برای ارسال پاسخ شما باید وارد سیستم شوید.
Similar threads
Thread starter عنوان تالار پاسخ ها تاریخ
P O U R I A [نانوساختارها] - نانوساختارهای فلزی نانوتکنولوژی 14
P O U R I A [نانوساختارها] - نانوساختارهای آلی نانوتکنولوژی 21
P O U R I A [نانوساختارها] - نانوساختارهای کربنی نانوتکنولوژی 33
P O U R I A [روش های شناسایی نانوساختارها] - اندازه گیری خواص مغناطیسی نانوتکنولوژی 13
P O U R I A [روش های شناسایی نانوساختارها] - طیف سنجی جرمی نانوتکنولوژی 12

Similar threads

بالا