بخشی از مقاله
چکیده
با استفاده از الکترونهشت شیمیایی تناوبی در نانوحفره هاي قالب آلومینا، نانوسیم هاي آلیاژي آهن- نیکل با درصدهاي آلیاژي مختلف ساخته شدند. ساخت نانوسیم هاي چندلایه اي در یک حمام حامل یونهاي آهن و نیکل و استفاده از تغییر فرکانس به طوري که آلیاژ FeNi در فرکانس هاي پایین وFe در فرکانس هاي بالا نهشت گردد مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که شکل گیري لایه آهن خالص در چنین ساختار چند لایه اي ممکن نیست، حتی زمانی که مقدار آهن موجود درالکترولیت در حد 0/55 مولار و فرکانس نهشت بالاتر از 300 هرتز باشد. اگر چه در حمام حاوي یونهاي نیکل، نهشت نیکل در فرکانس هاي بالاتر از 300 هرتز میسر نیست وجود مقدار کمی آهن در الکترولیت امکان شکل گیري آلیاژ FeNi در فرکانس هاي بالا را فراهم می آورد.
مقدمه
امروزه آرایه نانوسیم ها به دلیل کاربردهاي متنوعی که در حوزه هاي مختلف اعم از الکترونیک، کامپیوتر، تشخیص پزشکی، ارتباطات، علوم زیستی و ... دارند توجه محققان را به خود جلب نموده اند. مهم ترین کاربرد مغناطیسی نانوسیم ها به اثر GMR مربوط می شود که در میان نانوسیم هاي مختلف، نانوسیم هاي چند لایه اي به دلیل اثر مغناطو مقاومت بزرگ - GMR - مورد توجه قرار گرفته اند که می توان از آنها به عنوان یک حسگر میدان مغناطیسی استفاده نمود1]و.[2 می دانیم که آهن در همه فرکانس ها نشست داشته و در فرکانس هاي بالاتر نشست آن بهتر از فرکانس هاي پایین است. از طرفی نشست نیکل در فرکانس هاي پایین خوب بوده و با افزایش فرکانس از میزان نشست نیکل کم شده به گونه اي که در فرکانس هاي بیشتر از 350 هرتزاصلاً نشستی دیده نمی شود. بنابراین انتظار داشتیم که بتوانیم به ساختار چند لایه اي براي این آلیاژ دست یابیم به طوري که در فرکانس هاي پایین آلیاژ FeNiدر و فرکانس هاي بالا فقط در سیستم آهن داشته باشیم.
از میان روشهاي ساخت آرایه هاي نانوسیم ها، روش الکترونهشت شیمیایی نانوسیم هاي فلزي مغناطیسی داخل قالب آلومیناي حفره دار - - AAO روش مرسوم و مقرون به صرفه اي است. [3] از این رو در این تحقیق ساخت نانوسیم هاي چندلایهروشاي به الکترونهشت شیمیایی متناوب دردرقالب آلومینا، طوري که فرکانس هاي پایین آلیاژ FeNi و در فرکانس هاي بالا فقط آهن در سیستم وجود داشته باشد مورد بررسی قرار گرفت.
تجربی
در ابتدا براي ساخت نانوسیم ها، آلومینیومی با درصد خلوص %99/999 و ضخامت 0/3 میلی متر بعد از بریده و شسته شدن به مدت سه دقیقه درون استون قرار گرفت تا آلودگیها و چربیهاي موجود در سطح بر طرف شوند. سپس نمونه با شستهآبمقطر شد. پس از آن به منظور صاف و صیقلی شدن کامل سطح فیلم آلومینیم نمونه با محلول اتانول و اسید پرکلریک - به نسبت 4 به - 1 در دماي محیط و با ولتاژ ثابت معادل 20 ولت به مدت سه دقیقه الکتروپولیش گردید. بعد از الکتروپولیش نمونه درون یک سلول الکتروشیمیایی و در مجاورت اسید اکسالیک 0/3 مولار در دماي 17 درجه سانتیگراد - دماي بهینه - 4]تقیم[و با ولتاژ 40 ولت مس به مدت 10 ساعت آندایزگردید به نحوي که در سلول، فیلم آلومینیمی خالص به عنوان آند و یک قطعه آلومینیم معمولی به عنوان کاتد استفاده می گردید. در این مرحله یک لایه ضخیم اکسید آلومینا تشکیل می شود که به منظور حذف آن و بهبود نظم حفره ها درون قالب، نمونه به مدت 10 ساعت درون محلولی شامل اسید فسفریک و اسید کرمیک به ترتیب با غلظتهايو 0/5 0/2 مولار در دماي 62 درجه سانتیگراد مورد سونش قرار گرفت. در مرحله بعد براي به دست آوردن حفره هایی که به عنوان قالب براي ساخت نانوسیم ها مورد نیاز می باشند نمونه دوباره در شرایط آندي مرحله اول و به مدت 60 دقیقه آندایز گردید.
در گام بعدي لایه سدي ایجاد شده به روش آندایز غیر تعادلی نازك سازي شد به این دلیل که مقاومت این لایه سدي از مرتبه مگا اهم است و ممکن است فرآیند انباشت را کند و گاه دچار اختلال کند. آندایز غیر تعادلی با اسید اکسالیک 0/3 مولار و در دمايرجه 17 سانتیگراد با کاهش تدریجی ولتاژ انجاماز40 ولت به 8 ولت گردید و در هرگام کاهش ولتاژ، 30 ثانیه توقف شد تا ساختار به یک پایداري نسبی دست یابد، و در نهایت بعداز 3 دقیقه ثابت نگه داشتن ولتاژ در 8 ولت آندایز قطع گردید. در مرحله ي بعد حفره ها با روش الکترونهشت متناوب با آلیاژ آهن- نیکل پر شدند. در این تحقیق نانوسیم هاي آهن- نیکل با 7 غلظت مختلف ساخته شدند. به این ترتیب که غلظت محلول هاي حاوي سولفات آهن و سولفات نیکل را به گونه اي از 0 -0/6 مولار تغییر دادیم که غلظت محلول نهایی حاوي دو سولفات 0/6 مولار باشد. غلظت هاي انتخاب شده به صورت زیر بودند:
سولفات آهن 0/6 مولار؛ سولفات آهن سولفات0/55مولار – نیکلآهن 0/05 مولار؛ سولفات نیکل0/45 مولار – سولفات 0/15 مولار؛ سولفات آهن 0/3 مولار – سولفات نیکل 0/3 مولار؛ سولفات آهن 0/15 مولار – سولفات نیکل 0/45 مولار؛ سولفات آهن 0/05 مولار – سولفات نیکل 0/55 مولار؛ سولفات نیکل 0/6 مولار. در واقع نانوسیم هاي آهن – نیکل ساخته شده همگی داراي غلظت کل ثابت 0/6 مولار ولی غلظت هاي مختلف آهن و نیکل هستند. نهشت همه نمونه ها در بهاسیدیته ثابت 4 انجام شد. علاوه دماي محلول الکتروانباشت در طول فرآینددرجه 30 سانتیگراد ثابت نگه داشته شد. فرکانس ولتاژ اعمالی در انباشت ac پارامتر متغیر در انباشت اتم هاي آهن- نیکل با غلظت هاي مختلف بود. انباشت اتم هاي آهن- نیکل با ولتاژ تناوبی به شکل سینوسی با بیشینه مقدار 15 ولت در فرکانس هاي 50 ،100،150،200،300،400 و 600 هرتز انجام شد و مدت زمان انباشت همه نمونه ها یک دقیقه بود.
بحث و نتیجه گیري
شکل - - 1 تصویر SEM از سطح مقطع آرایه نانوسیم هاي FeNi را نشان می دهد. می توان در شکل به طور واضح لایه سدي، نانوحفره هاي خالی و نانوحفره هاي پرشده و نانوسیم هاي موازي و جدا از هم را مشاهده کرد. دیده می شودازکه حدود 1 میکرون نانوحفره ها پر شده است و با در نظر داشتن این نکته که قطر نانوسیم ها برابر با قطر حفره ها در قالب اند، می توان گفت در نتیجه انباشت نانوسیمی با قطر متوسط 30 نانومتر و طول متوسط 1 میکرون حاصل شده است و از آنجایی که مدت زمان انباشت در تمام نمونه ها 60 ثانیه بود در نهایت آرایه هاي نانوسیم FeNiبا قطر و طولتقریباً ثابت ساخته شدند. در نمونه هاي ساخته شده درصد عناصر آهن و نیکل را با استفادهمشخصازمد EDS کردیم. به این منظور ترکیب آلیاژي نانوسیم هاي آهن 0/05 مولار-نیکل0/55 مولار ساخته شده در فرکانس هاي مختلف را مورد بررسی قرار دادیم. با توجه به شکل - - 2 می توان گفت که به طور کلی ترکیب آلیاژي مستقل از فرکانس است که می توان علت را در پتانسیل الکتروشیمیایی آهن و نیکل جستجو کرد.
در واقع احیاي آهن و نیکل در حفرات تحت تاثیر پتانسیل الکتروشیمیایی آنهاست و با تغییر فرکانس تغییر نمی کند در نتیجه در غلظت هاي ثابتی از سولفات آهن و نیکل و در پتانسیل نهشت ثابت ترکیب آلیاژ مستقل از فرکانس عمل می کند در نهایت با توجه به بررسی هاي انجام شده از این به بعد به جاي ذکر کردن نانوسیم ها برحسب غلظت الکترولیت از تر کیب آلیاژي که براي هر غلظت مستقل از فرکانس است استفاده می کنیم. پس از ساخت نمونه ها مطابق با آن چه در بحث هاي قبلی مطرح شد، با استفاده از مغناطوسنجی نیروي گرادیان متناوب AGFM به اندازه گیري حلقه پسماند نمونه ها ضمن اعمال میدان خارجی موازي محور نانوسیم در دماي اتاق پرداختتغییراتم.در شکل - - 3 نیروي وادارندگی و نسبت مربعی - نسبت مغناطش پسماند به مغناطش اشباع - با فرکانس در هر ترکیب آلیاژي مشخص آورده شده است. می دانیم که آهن در همه فرکانس ها نشست داشته و در فرکانس هاي بالاتر نشست آن بهتر از فرکانس هاي پایین است. از طرفی نشست نیکل در فرکانس هاي پایین خوب بوده و با افزایش فرکانس از میزان نشست نیکل کم شده به گونه اي که در فرکانس هاي بیشتر از 350 هرتزاصلاً نشستی دیده نمی شود.
