4-4-2- اندازه­گیری خواص مغناطیسی پوشش نیکل نانوساختار در غیاب میدان مغناطیسی   99

4-4-3- اندازه­گیری خواص پوشش نیکل نانوساختار در حضور میدان مغناطیسی.. 101

5- فصل پنجم.. 105

5-1- نتیجه گیری.. 106

5-1-1- پوشش نانوساختاری نیکل در غیاب و حضور میدان مغناطیسی.. 106

5-1-2- پوشش نانوساختاری مس در غیاب و حضور میدان مغناطیسی.. 107

5-2- پیشهادها 108

6- مراجع.. 109

1-1- مقدمه

یکی از روش­های تولید پوشش­های نانوساختاری، روش آبکاری الکتریکی است که ذرات در اثر اعمال جریان الکتریکی در پوشش قرار می­گیرند[1]. فرآیند آبکاری الکتریکی روشی است که در آن نمونه­ی موردنظر به­وسیله­ی لایه­های چسبیده و نازک از فلز دیگر پوشش داده می­شود تا ظاهر و یا خواص موردنظر آن بهتر شود. این فرآیند که شامل پوشش دادن یک فلز، آلیاژ و یا کامپوزیت بر روی فلزی دیگر با استفاده از جریان برق است، از بیش از صد سال پیش مورد توجه محققان قرار گرفته است و هدف ایجاد پوششی با ویژگی­های خاص از فلز است. با استفاده از این روش می­توان لایه­های نازک از مرتبه­ی چند نانومتر هم تولید نمود[2].

لایه­نشانی یک فلز یا آلیاژ به وسیله­ی جریان الکتریکی در حضور میدان مغناطیسی اعمالی به­عنوان الکترولیز مغناطیسی[1] (ME) یا لایه­نشانی الکترولیتی مغناطیسی[2] شناخته می­شود[3]. در حال حاضر بررسی فصل مشترک بین خواص مغناطیسی مواد و الکتروشیمی یکی از زمینه­های جذاب مورد مطالعه در علوم بین رشته­ای است و با مطالعه­ی اثرات هر یک از این دو موضوع بر دیگری، می­توان به نتایج سودمندی دست یافت. به عنوان مثال در حین فرآیند آبکاری، میدان مغناطیسی می­تواند برای افزایش نرخ لایه­نشانی گونه­های مغناطیسی و غیرمغناطیسی به­کارگرفته شود[4]. هنگامی که میدان مغناطیسی به­طور موازی با سطح الکترودها بر یک پیل الکتروشیمیایی وارد می­شود، نیرویی به نام نیروی لورنتس عمود بر چگالی جریان و میدان مغناطیسی بر تمامی ذرات بارداری که در محلول الکترولیت حرکت می­کنند وارد می­شود و بر خواص لایه­های ساخته­شده اثر می­گذارد. تأثیر نیروی اعمالی بر مواد مختلف متفاوت است و بسته به این­که فلز آبکاری شده مغناطیسی و یا غیرمغناطیسی باشد، نتایج متفاوتی از اعمال میدان می­توان به­دست آورد[3،4]. ازجمله ویژگی­های بررسی شده نیز می­توان به ریخت­شناسی سطح، ساختار بلوری و هم­چنین جوانه­زنی در حضور میدان مغناطیسی اشاره­کرد. میدان مغناطیسی خارجی هم­چنین می­تواند بر فرآیند آبکاری الکتریکی آلیاژها نیز اثرگذار باشد[6]. به­طور مثال برای آلیاژ نیکل-آهن ترکیب آلیاژ با تغییر چگالی شار مغناطیسی تغییر می­کند[7]. هم­چنین ریخت­شناسی، زبری، جهت کریستالوگرافی لایه­های پوشش داده­شده[7] و خواص مغناطیسی این آلیاژ[5] نیز تحت تأثیر میدان مغناطیسی قرار می­گیرد. با این وجود ویژگی­های بسیاری از جمله خواص مغناطیسی لایه­های نازک مغناطیسی و غیرمغناطیسی تولیدشده در ابعاد نانویی با استفاده از این روش هنوز به­طور کامل مشخص نیست که این امر باعث ایجاد انگیزه در محققان و دانشمندان رشته­های فیزیک، شیمی و علم و مهندسی مواد برای مطالعه در این زمینه شده است.

فرآیندهای الکتروشیمیایی به خاطر توانایی قابل توجهشان نسبت به سایر روش­ها از قبیل پوشش­دهی از بخار فیزیکی (PVD) و پوشش­دهی از بخار شیمیایی (CVD) در ایجاد ساختارهای یکنواخت و بدون حفره، برای تولید پوشش مس استفاده می­شوند. در اکثر موارد مشاهده شده است که ریزساختار پوشش­های مس به­راحتی در دمای اتاق تبلور مجدد می­یابند که منجر به ایجاد مشکلات اساسی در ارتباط با خواص الکترونیکی این پوشش­ها می­شود. تولید و ایجاد میدان مغناطیسی می­تواند یک روش امیدبخش برای کنترل منحصربه­فرد میکروساختار سطح باشد[8]. با انجام آبکاری در حضور میدان مغناطیسی جریان هیدرودینامیکی مغناطیسی[3] در محلول الکترولیت به­وسیله­ی برهم­کنش الکترومغناطیسی  که   جریان فارادی و  میدان مغناطیسی است القا می­شود. محققان زیادی به بررسی تأثیر جریان هیدرودینامیکی مغناطیسی بر خواص میکروساختاری سطح پوشش­های مس آبکاری­شده و واکنش الکتروشیمیایی پرداخته­اند که از آن­جمله می­توان به تحقیقات هیندز[4] و همکاران[9] اشاره کرد که نشان دادند در حضور میدان مغناطیسی کوچک­تر از 0.5 تسلا تغیر قابل­توجهی چه در ریخت­شناسی سطح و چه در بافت پوشش ایجاد نمی­شود. هم­چنین با افزایش میدان مغناطیسی تا میزان 0.6 تسلا تأثیر میدان مغناطیسی بر فرآیند آبکاری الکتریکی مستقل از جهت میدان و نحوه­ی قرارگیری الکترود است. با این حال آبکاری الکتریکی مس در حضور میدان مغناطیسی به­طور سیستماتیک بررسی نشده­است که دلیل آن می­تواند به پذیرفتاری مغناطیسی بسیار کوچک مولی   برگردد. لذا پتانسیل مغناطیسی در یک میدان ثابت)    که c غلظت،  نفوذپذیری مغناطیسی مولی یونی و  نفوذپذیری فضای آزاد است( بسیار کوچک و قابل چشم­پوشی در مقایسه با اثر هیدرودینامیکی مغناطیسی است.

تعدادی تحقیق نیز در مورد تأثیر میدان مغناطیسی بر آبکاری الکتریکی نیکل وجود دارد. بر اساس مطالعات مربوط به  بازتاب الکترون­های تفرق یافته پرانرژی (RHEED) نیکل، آهن و کبالت یانگ[5] گزارش داد که یک میدان مغناطیسی اعمالی اثر ناچیزی بر جهت اصلی الکترون­ها دارد. اما افزایش در زبری سطح در اثر اعمال میدان عمود بر سطح الکترودها مشاهده شد[10]. بریلاس[6] و همکاران[11] بیان کردند که اعمال میدان مغناطیسی درحین فرآیند آبکاری الکتریکی نیکل چه به­صورت موازی و چه عمود بر سطح الکترودها، منجر به افزایش تراکم دانه­های نیکل و رشد با اندازه­ و شکل هندسی منظم­تر می­شود و نتیجه گرفتند که ریخت­شناسی سطح به شدت تحت تأثیر میدان مغناطیسی قرار می­گیرد.

اخیراً باند و همکاران[12] تأثیر میدان مغناطیسی عمود بر رفتار الکتروشیمی مس و نیکل را بررسی کردند. افزایش چگالی جریان حدی با میدان بر اساس افزایش در جریان همرفت

 ایجاد شده به وسیله­ی جریان هیدرودینامیکی مغناطیسی توضیح داده شد. مشاهده شد که مواد با دانه­های ریزتر در حضور میدان مغناطیسی برای نیکل آبکاری شده ایجاد می­شود که این عامل به افزایش در جریان همرفتی که منجر به افزایش در نرخ لایه­نشانی می­شود نسبت داده­شد.

مطالعات مربوط به تأثیر میدان مغناطیسی بر فرآیندهای الکتروشیمیایی معمولا با میدان موازی با سطح الکترودها انجام می­شود. در این حالت نیروی هیدرودینامیکی مغناطیسی حداکثر است. اگر هدف محدود کردن جریان همرفتی بر اثر نیروی هیدرودینامیکی مغناطیسی و مطالعه­ی نیروهای پارامغناطیس و اثرات گرادیان میدان باشد، میدان مغناطیسی به­صورت عمود بر سطح الکترودها اعمال می­شود.

در این تحقیق با استفاده از فرآیند آبکاری الکتریکی ضربانی، پوشش نانوساختاری از فلزات نیکل و مس تهیه گردید و خواص ریزساختار، مغناطیسی و ریخت­شناسی این فلزات در دو حالت بدون اعمال میدان مغناطیسی و اعمال میدان حین انجام فرآیند آبکاری الکتریکی ضربانی با یکدیگر مقایسه شد.

1-1- تقسیم بندی مواد از لحاظ خاصیت مغناطیسی

از لحاظ خواص مغناطیسی و با توجه به چگونگی پاسخ به میدان مغناطیسی، مواد به دسته­های مختلفی تقسیم­بندی می­شوند که در زیر آمده است:

الف) مواد پارامغناطیس

ب) مواد دیامغناطیس

ج)مواد فرومغناطیس

د)مواد پادفرومغناطیس

ه) مواد فری­مغناطیس

1-1-1- مواد پارامغناطیس

این مطلب را هم بخوانید :

در مواد پارامغناطیس، قابلیت مغناطیسی شدن ماده یا همان پذیرفتاری مغناطیسی( ) دارای مقدار مثبت کوچکی است. مقدار  برای این مواد در دمای اتاق بین  تا    می­باشد. در این مواد گشتاور مغناطیسی اجزاء سازنده صفر نیست بلکه طرز قرار گرفتن این اجزاء طوری است که گشتاور مغناطیسی کل ماده صفر می­شود. در حین اعمال میدان مغناطیسی تنها تعدادی از گشتاورهای مغناطیسی با جهت میدان هم­راستا می­شوند. در دماهای معمولی  وابستگی اندکی به شدت میدان اعمال شده دارد. در حوالی صفر مطلق، مواد پارامغناطیس می­توانند به اشباع مغناطیسی برسند[13]. در جدول 2-1 پذیرفتاری مغناطیسی تعدادی از مواد پارامغناطیس ذکر گردیده است.

جدول ‏2‑1 تأثیرپذیری یا پذیرفتاری مغناطیسی تعدادی از مواد پارامغناطیس[13]

1-1-2- مواد دیامغناطیس

در مواد دیامغناطیس  دارای مقدار منفی بوده و اندازه­ی آن از مرتبه­ی  است. الکترون­ها به صورت جفت بوده و گشتاور خالص اجزای سازنده­ی این مواد (اتم­ها، مولکول­ها یا یون­ها) صفر است. در این حالت