بخشی از مقاله
چکیده
نانو حفرههای خودآرای آلومینا با استفاده از فرایند آندایز سخت در الکترولیت ترکیبی اسید سولفوریک و اکسالیک بر روی سطح آلومینیوم ساخته شد. ساختار حفرهای شکل گرفته توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی مورد ارزیابی قرار گرفت. بر اساس تصاویر، سطح مقطع حفره ها و نمودار جریان آندایز مشخص شد. رشد لایه اکسیدی در این نمونه ها بالا بوده - 200µ /ℎ - به دو برابر سرعت رشد آندایز سخت معمولی - - 50-100 µ /ℎ می رسد. هرچند سرعت رشد حفره ها بالا بوده ، آرایه حفره ها به شکل شش وجهی منظم می باشد.
تاکنون نظریه خاصی برای این پدیده ارائه نشده است. به دلیل سرعت کم رشد لایهی اکسیدی و شرایط بسیار محدودی که منجر به ساختار منظم میشود، محققان به دنبال روش سریعتر و بهینهای برای تولید نانوحفرههای AAO بودند. این تحقیقات منجر به ابداع روش جدیدی به نام آندایز سخت شد. لی و همکارانش در سال 2006 به کمک روش آندایز سخت، موفق به تولید ساختار منظم نانوحفرههای آلومینا شدند .[2] مشخصهی فرآیند آندایز سخت، چگالی جریان بسیار بالا است؛ هک معمولاً 10 تا 100 برابر چگالی جریان در آندایز نرم میباشد .[3] همچنین نرخ رشد لایهی اکسید در آندایز سخت، نسبت به آندایز نرم 25 تا 35 برابر سریعتر اتفاق میافتد 4] و .[5 در اینجا سعی شد با استفاده از ترکیب اسید اکسالیک و سولفوریک در آندایز سخت نانو حفره هایی منظم با طول بالا ساخته شود.
کار تجربی
دراین آزمایش از یک ورق آلومینیوم با درجه خلوص - % - 99 999 به ضخامت - 0/25 mm - بعنوان ماده اولیه استفاده شد. قرص آلومینیوم در اندازه دلخواه - برای این کار به قطر - 10 mm برش داده شده و سپس برای از بین بردن چربیهای موجود بر روی سطح آن، در استون به مدت3 دقیقه در حمام شستشو داده میشود. همچنین برای از بین بردن ناهمواریهایی در حد میکرون بر روی سطح Al و تبدیل آنها به مقیاس نانومتر و داشتن یک سطح صاف، قرص آلومینیوم الکتروپولیش - صیقل کاری شیمیایی - میشود.
محلول صیقل کاری شیمیایی مرکب از اسید پرکلریک - HCLO4 - و اتانول - C2H5OH - به نسبت حجمی 1 به 4 است. این فرایند در دمای اتاق، با ولتاژ20 ولت در چگالی جریان 60 ⁄ 2 به مدت 3 دقیقه انجام میشود. فرایند آندایز سخت تحت شرایط مختلف ولتاژ و غلظت الکترولیت بعد از صیقل کاری شیمیایی آغاز میشود. در اینجا شامل0/3 M اکسالیک و0/06 M سولفوریک، تحت شرایط ولتاژ ثابت61 v در مدت زمان 1 h انجام شده است. در ابتدای فرایند آندایز برای اینکه نمونه در جریانهای بالا نسوزد یک آندایز ده دقیقه نرم مطابق شکل - 1 - در ولتاژ 35 ولت انجام شده و سپس ولتاژ آندایز با نرخ 0 /15 v/sبه 61 ولت رسانده و آندایز وارد فاز سخت میشود.
تاکنون آندایز سختی در این ولتاژ با این نرخ رشد گزارش نشده است. در عین حال با توجه به کارهای قبلی، ولتاژی انتخاب شده که به علت حضور اسید سولفوریک در محلول الکترولیت، منجر به سوختن نمونه نشود .[6] همانطور که از شکل پیدا است جریان در طول پتانسیل ثابت، به طور نمایی بصورت تابعی از زمان کاهش مییابد برای انجام فرایند آندایز نیاز به راکتوری بوده که در معرض الکترولیت خورنده با آن واکنش نداده و بدنه و دیوارههای آن توسط اسید تخریب نشود و در عین حال عایق الکتریسیته باشد.
در طول فرایند آندایز، دمای الکترولیت همه نمونهها درصفر درجه سانتیگراد ثابت نگه داشته میشود. چگالی جریان بالا در شروع فرایند به دلیل تولید گرما، معمولا به نمونه آسیب وارد میکند. به منظور غلبه بر تولید گرما و ایجاد آرایهای منظم برای اکسید آلومینا، سولفوریک با اکسالیک ترکیب میشود. محلول الکترولیت درون سلول الکتروشیمیایی بوسیله یک پمپ به صورت همزن به گردش در میآید تا کاملا بر روی سطح نمونه پاشیده شود و گرمای حاصل از واکنشهای انجام شده در چگالی جریان بالا از بین برود.
در فرایند آندایز نرم به دلیل نرخ رشد کم، طول حفرهها به آرامی افزایش پیدا میکند. ولی در آندایز سخت به دلیل جریانهای بالا، عمق حفرهها سریعا زیاد میشود و باعث افزایش سریع طول پخش شده و جریان آنیونی را در داخل حفرهها کند کرده و جریان آندایز کاهش مییابد که در شکل - 1 - دیده میشود. میزان بار مصرف شده در طول فرایند آندایز سخت تعیین کننده میزان رشد اکسید روی سطح آلومینیم است؛ هر چه مقدار بار مصرف شده بیشتر باشد، ضخامت لایه اکسید بیشتر خواهد بود. رشد لایه اکسید در این نمونه ها - 200ʽm/h - و به دو برابر سرعت رشد آندایز سخت معمولی - - 50-100ʽm/h می رسد.
علت رشد بالای اکسید در اینجا به وجود اسید سولفوریک بر می گردد که رسانندگی یونی محلول را بالا برده و ورود آنیونهای سولفات به داخل لایه سدی در اثر میدان الکتریکی، باعث افزایش رسانندگی لایه شده و در نتیجه جریان آندایز بالا رفته و رشد لایه سریعتر خواهد بود .[1] با توجه به ساختار اکسید آلومینا که تشکیل شده از حفرهها و لایه سدی، اندازهگیریهایی برای قطرحفره - - DP، فاصله بین حفرهای - - Dint ضخامت لایه سدی - - tb و ضخامت لایه اکسید - - L انجام شده است؛ که به ترتیب عبارتند از: 24 nm، 120 nm، nm 55 و 206 ʽm است. همچنین رابطه خطی این پارامترها با ولتاژ در آندایز سخت طبق روابط زیر قابل مشاهده است .[7]
