بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش قالب آلومینای متخلخل به روش آندیزاسیون ساخته شد و سپس نانوسیمهای مسی به روش انباشت الکتروشیمیایی با استفاده از این قالب تهیه شدند. رفتار دیالکتریکی قالب آلومینا و قالب آلومینای حاوی نانوسیمهای مسی بررسی و با هم مقایسه شدند، نتایج نشان دادند که قالب آلومینای حاوی نانوسیمهای مسی دارای ثابت دیالکتریک بیشتر و اتلاف دیالکتریک کمتر نسبت به قالب آلومینای خالی میباشند.
مقدمه
در طی دو دههی گذشته ساخت و کاربرد نانوسیمها توجه محققان بسیاری را به خود جلب کرده است.[3-1] نانوسیمهای مسی کاربردهای فراوانی در صنعت میکروالکترونیک و نانوالکترونیک دارد.[4] برای تهیه نانوسیمهای مسی به روشهای مختلفی از جمله انباشتبخارشیمیایی[5]، الکتروانباشت با استفاده از قالب[6]، روش هیدروترمال[7] و غیره استفاده میشود. روش انباشت الکتروشیمیایی یکی از سادهترین و کمهزینهترین روش برای ساخت نانوسیمها بهحساب میآید. برای ساخت نانوسیمهای مسی به روش انباشت الکتروشیمیایی به کمک قالب، به یک قالب با حفرههای در ابعاد نانو مانند قالب متخلخل آندی آلومینا[8]، قالب پلیکربنات[9]، میکا[10] و غیره نیاز است.
رفتار دیالکتریکی مواد جامد با حضور مواد رسانای پراکنده شده در آن نسبت به ماده دیالکتریک خالص متفاوت میباشد. اگر دیالکتریک شامل ذراتی از مواد رسانا باشد معمولاً رسانایی ظاهری بیشتری در میدان متناوب نسبت به میدان یکنواخت از خود نشان میدهد که این رسانایی میتواند تابعی از فرکانس باشد. بنابراین دیالکتریک خوب، دیالکتریکی است که ذرات رسانا را در خود جای داده باشد. این عمل باعث میشود که رسانایی دیالکتریک و اتلاف دیالکتریکی کمتر شود.[11] در این پژوهش نانوسیمهای مسی با استفاده از روش انباشت الکتروشیمیایی در داخل قالب آلومینای متخلخل به منظور بررسی رفتار دیالکتریکی آن ساخته شد و رفتار دیالکتریکی آن با قالب آلومینای متخلخل خالی مقایسه شد.
روش تجربی:
الف-روش ساخت: برای ساخت قالب آلومینا از روش آندیزاسیون دومرحلهای استفاده نمودیم. در این روش از محلول الکترولیت اکسالیک اسید 0/3 مولار تحت دمای 17 درجه سانتیگراد و ولتاژ 40 ولت به مدت سه ساعت برای آندیزاسیون بهره بردیم. برای افزایش قطر حفرهها و حذف لایهی سدی نمونه را در محلول فسفریک اسید 5 درصد وزنی به مدت 30 دقیقه در دمای اتاق قرار دادیم. قالب آلومینای آماده شده دارای قطر حفرهای میانگین حدود 60 نانومتر و چگالی حفرهای حدود 1/3×1010 حفره برسانتی متر مربع میباشد.
نانوسیمهای مسی با استفاده از قالب آلومینای آماده شده و به روش انباشت الکتروشیمیایی مستقیم با محلول الکترولیت سولفات مس به غلظت 20 گرم در 100 سی سی آب و سولفوریک اسید 0/1 مولار در دمای اتاق به مدت 10 دقیقه و با اعمال جریان مستقیم 2 میلیآمپر ساخته شد. آند یک صفحهی مسی و کاتد آلومینیوم پشت نمونه بود. طی این فرآیند نانوسیمهای مسی با قطر میانگین حدود 58 نانومتر بدست آمد.
ب- بررسی خاصیت دیالکتریکی: برای بررسی خاصیت دیالکتریکی نمونهها، آنها را با قرار دادن میان دو صفحهی مسی به ابعاد1cm×1cm به یک خازن تبدیل کردیم که برای اندازهگیریها از دستگاه precision LCRmeter با مدل 821 ساخت GWINSTEK استفاده شد. اندازه گیریها در محدودهی فرکانسی0.01-200kHz انجام شد. با اندازهگیری مقدار - Cظرفیت خازن - و - Dتابع اتلاف دیالکتریک - نمونهها در این محدوده فرکانسی و با استفاده از معادلات - 1 - ، - - 2و - - 3 به ترتیب مقادیر حقیقی و موهومی تابع دی الکتریک و رسانندگی دیالکتریک را بدست آوردیم.[12]
نتایج و بررسی ها:
شکل1 تصویر SEM نانوسیمهای مسی را نشان میدهد که سر آنها از قالب آلومینا بیرون زده است. تودههای اضافی مسی را که در اثر الکتروانباشت، روی نانوسیمها نشسته در تصویر دیده می شود. شکل داخلی در پایین با بزرگنمایی بیشتر، نانوسیمها را نشان میدهد که قطر آنها با نرم افزار Measurment اندازهگیری شد و حدود 58 نانومتر بدست آمد. در فرکانسهای پایین میدان الکتریکی به آرامی تغییر میکند بنابراین قطبش بارهای سطحی به علت اتصال بین ذرات رسانا در ماده زیاد است.
در فرکانسهای بالا، میدان به سرعت تغییر میکند بنابراین بارهای سطحی زمان زیادی را برای قطبش ندارند و قطبش بارهای سطحی کاهش مییابد و کاهش در قطبش منجر به کاهش قسمت حقیقی تابع دیالکتریک میشود.[14] نمودار قسمت حقیقی تابع دیالکتریک مربوط به قالب آلومینای حاوی نانوسیمهای مسی در فرکانسهای پایین مقدار بیشتری نسبت به فرکانسهای بالاتر را دارد و با افزایش فرکانس بالاتر از 0/02 کیلو هرتز با شیب کمی کاهش مییابد و علت آن کاهش قطبش در فرکانسهای بالا است.[13] تابع دیالکتریک توانایی سیستم را در ذخیرهی بار تحت میدان الکتریکی اعمال شده نشان میدهد. با اضافه شدن ذرات رسانا به عایق، رسانایی به طور چشمگیر افزایش مییابد و منجر به افزایش ثابت دیالکتریک میشود.
با مقایسه دو منحنی میتوان پی برد که ' در قالب آلومینای حاوی نانوسیمهای مسی بیشتر از قالب آلومینای خالی است و وجود نانوسیمهای درون قالب آلومینا میتواند نتیجه این افزایش باشد. مقدار ماکزیمم قسمت حقیقی تابع دیالکتریک در قالب آلومینا 4/3 و در قالب آلومینای حاوی نانوسیمهای مسی 5/5 در فرکانس 0/01 کیلوهرتز است. در یک فرکانس ثابت مقدار حقیقی تابع دیالکتریک در قالب آلومینای حاوی نانوسیمهای مسی نسبت به قالب آلومینای خالی افزایش یافته که علت آن قطبش در سطح مشترک رسانا-عایق است.[14] با اضافه شدن ذرات رسانا به عایق، اتصال بین عایق و رسانا به طور چشمگیر افزایش مییابد و تابع دیالکتریک مختلط ترکیب عایق-رسانا افزایش مییابد.[14] این موضوع دلیل دیگری برای افزایش یافتن تابع دیالکتریک قالب آلومینای حاوی نانوسیمهای مسی نسبت به قالب آلومینای خالی است.
با توجه به نمودار تغییرات '' در فرکانسهای پایینتر با شیب بیشتری نسبت به فرکانسهای بالاتر کاهش مییابد و با افزایش فرکانس بالاتر از 0/1 کیلوهرتز شیب آن کاهش چشمگیری دارد. با توجه به نمودار بیشترین مقدار '' در فرکانس 0/01 کیلوهرتز، برای قالب حاوی نانوسیمهای مسی حدود 0/5 است، در حالیکه برای قالب خالی حدود 1/2 می باشد. اتلاف با قسمت موهومی تابع دیالکتریک تعریف می شود. وقتی که مادهی دیالکتریک بدون اتلاف باشد، قسمت موهومی تابع دیالکتریک صفر خواهد شد.[15] با محاسبه تابع اتلاف از رابطه - 2 - برای قالب آلومینا در محدوهی فرکانسی 10 تا 2×105 هرتز مقدار اتلاف بین 1/2 تا 0/088 بدست آمد، در حالیکه برای قالب آلومینای حاوی نانوسیمهای مسی ، در محدودهی فرکانسی 10 تا 2×105 هرتز مقدار اتلاف از مقدار 0/5 تا 0/001 تغییر میکند.
