بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش به روش لایه نشانی الکترودی 1 با رهیافت ولتامتری چرخه ای2، لایه های آبگریز مس بر روی زیرلایه طلا/ سیلیکون در دماهای لایه نشانی بین 15 تا 45 درجه سانتیگراد ساخته شدند. در هر دما چهار نمونه با ضخامت های 1، 3، 5 و 7 چرخه لایه نشانی تهیه شدند تا اثر تغییر ضخامت لایه ها در آبگریزی سطوح نیز بررسی شود. مشاهده کردیم که اگر چه در دماهای 15، 22 و 30 درجه سانتیگراد ساختارهای چهارگوشی3 میکرومتری مشابه به وجود آمده است ولی با افزایش دما به 45 درجه سانتیگراد، این ساختارها شکل فرکتالی گرفته که از مکعب های 100 تا 500 نانومتر تشکیل شده اند.
بیشینه زاویه تماس مشاهده شده در این پژوهش، در نمونه های 5 و 7 اسکن ساخته شده در دمای 22 درجه سانتیگراد بوده است که دارای بلورهای میکرومتری چهارگوشی با دره های عمیق بین ساختارها هستند. زاویه تماس در این نمونه ها برابر 150° و زبری متوسط اپتیکی آن ها بین 1 تا 1.5 میکرومتر است. در نتیجه امکان ساخت سطوح فوق آبگریز مس بدون هیچ گونه بهبود دهی شیمیایی ثانویه به منظور کاربرد در صنعت با استفاده از این رهیافت، وجود دارد.
مقدمه
با رشد جوامع، توجه به یافتن راه های جدید برای کاهش مصرف انرژی و آلودگی محیط گسترش یافته است. برهمین اساس، استفاده از سطوح آبگریز که قطرات آب را از خود طرد می کنند، در حوزه های سطوح خود تمیزشونده، ضدباکتری، کاهش اصطکاک، مقاوم در برابر خوردگی و سطوح زیرآبی در صنعت گسترش یافته است.[1] پدیده ترشوندگی به وسیله تعیین زاویه تماس قطره آب بر روی سطح بررسی می شود . مدل یانگ بیان میکند که زاویه تماس قطره بر روی سطح متناسب است با نسبت انرژی سطحی قطره در تماس با سطح جامد نسبت به حالتی که در هوا معلق باشد. اما بر روی سطح صاف طبق رابطه یانگ - لاپلاس- دوپره4، این زاویه تماس نمی تواند بیشتر از 130 درجه باشد.
در نتیجه برای بررسی سطح زبر و فوق آبگریز نیاز به تغییر این رابطه وجود دارد. سپس در مدل ونزل5 مطرح شد که با افزایش زبری سطح، قطره به برجستگی های سطح نفوذ کرده و در نتیجه اگر زاویه تماس حالت یانگ سطح بیشتر از 90درجه باشد - سطوح ذاتاً آبگریز - با افزایش زبری، سطح آبگریزتر میشود و همچنین در این مدل سطوح آبدوست با افزایش زبری، آبدوست تر می شوند. در نتیجه این مدل نمی تواند گذار از حالت آبدوستی به آبگریزی را که در تجربه مشاهده میشود توجیه کند . پس از آن کاسی و باکستر6 بیان کردند که افت و خیزهای سطح زبر، بسته به اندازه زبری ها، می توانند حباب های هوا را در خود گیر بیاندازند.
در این حالت امکان نفوذ قطره در سطح کم شده و در نتیجه زاویه تماس به الگوی زبری های سطح وابسته میشود. طبق این رابطه هر چه ساختارهای سطحی پیچیده تر باشند در حالاتی با زبری های بهینه میتوان گذار به حالت فوق آبگریز را مشاهده کرد. بر اساس این دیدگاه پژوهشگران علاوه بر انتخاب موادی با انرژی سطحی کم، به دنبال ساخت زبری های مشخص و پیچیده نیز هستند. به منظور کنترل زبری سطح می توان از دو حالت بالا به پایین - طرح دهی پس از ساخت لایه مانند انواع حکاکی - و پایین به بالا - تلاش برای ساخت لایه با ساختارهای مشخص مانند میله ای و نانولوله در حین لایه نشانی - استفاده کرد.
روش لایه نشانی الکترودی روش مناسبی برای ساخت سطوح با ساختارهای خاص از مواد رسانا همچون الکترولیت های فلزی[2] یا پلیمرهای رسانا[3] است . در این روش با تغییر پارامترهایی همچون نوع الکترولیت، دما، زمان، جریان، ولتاژ و برنامه لایه نشانی می توان ساختارهای متفاوت ایجاد کرد. با توجه به استفاده گسترده از مس در محیط و صنعت از جمله شبکه آب و برق، حوزه های محیط زیستی و انرژی های خورشیدی و کاربردهای حمل نقل هوایی و زمینی و دریایی، ساخت سطح مس آبگریز میتواند بر مزیت های این سطوح بیافزاید . علاوه بر این، انواع ساختارهای بلوری مس و اکسیدهایش در این روش ساخت مشاهده شده است که می تواند در ایجاد ساختار با زبری کنترل شده و همچنین انرژی سطحی مشخص نیز کمک کند.
طبق مطالعات تجربی و محاسباتی با کاهش میزان اکسیژن موجود در لایه مس، از انرژی سطحی آن نیز کاسته شده و آبگریزتر میشود. البته به طور طبیعی بر روی مس همواره لایه نازکی از کوپریت - Cu2O - نیز وجود دارد. کوپریت دارای ساختار مکعبی بوده و انرژی سطحی سطوح بلوری آن به این ترتیب است: . 100 همچنین ساختار بلوری مس و تنوریت - CuO - تک شیبی7 است.[4] در این پژوهش نمونه هایی دارای بلورک های میکرومتری مس به روش لایه نشانی الکترودی با رهیافت ولتامتری چرخه ای، با پیش ماده سولفات مس، در دماهای 15 تا 45 درجه سانتیگراد بر روی زیرلایه طلا بروی تک کریستال سیلیکون، ساخته شده و مورد مطالعه با آنالیزهای تعیین زاویه تماس قطره آب، پروفایلومتری نوری، میکروسکوپ الکترونی روبشی و پراش اشعه ایکس قرار گرفته اند.
مواد و روش تحقیق
از دستگاه Autolab potentiostat شرکت Metrohm در حالت ولتامتری چرخه ای به منظور لایه نشانی استفاده کردیم. در این دستگاه از سیستم سه الکتروده متصل به Potentiostat استفاده می شود. الکترودهای سیستم شامل : .1 الکترود جمع کننده8 از جنس میله کربنی، .2 الکترود فعال9 که زیرلایه مورد نظر است که در این کار از ویفر سیلیکون با پوشش 150 nm طلا بر روی 10 nm کروم لایه نشانی شده بر روی تک کریستال - Si - 100 - بوده و .3 الکترود مرجع10 از جنس کالومل اشباع - SCE - ، است.
از محلول آبی 0.1 M سولفات مس شرکت Sigma Aldrich در دماهای لایه نشانی 15 تا 45 درجه سانتیگراد استفاده شد. به منظور لایه نشانی 10 ml از محلول مربوطه را در ظرف شیشه ای الکترولیز ریخته و سپس به منظور کاهش اکسیژن های محلول در آن، به مدت حدود 15 دقیقه تحت شار آرگون گاززدایی11 کردیم. پس از لایه نشانی، نمونه ها را در آب خالص شسته و به مدت یک هفته در ظرف شیشه ای تحت شرایط محیط، خشک شدند.
