Elektrolitikus nanoszerkezetek

Az Elektrolitikus nanoszerkezetek téma 2018. december 31.-ével megszűnt. Kutatói a "Részben rendezett rendszerek" témában folytatják tovább munkájukat.

Elektrolitikus nanoszerkezetek

• Fémes multirétegek előállítása és vizsgálata
• Elektrokémiai leválasztással készült anyagok mélységi komponens-eloszlásának vizsgálata
• Előzmények: Nanokristályos fémek előállítása és vizsgálata
• Egyéb elektrokémiai tárgyú munkák: Elektrokémiai hidrogén-permeáció
• Egyéb, nem elektrokémiai jellegű munkák: Kőzetekben megjelenő mikro- és nanoszerkezetek vizsgálata

Fémes multirétegek előállítása és vizsgálata  (Bakonyi Imre, Péter László; 1994-től)

A nanométeres rétegvastagsággal rendelkező fémes rétegszerkezetek sajátságait nagyban befolyásolja, hogy az összetételi változások rövidebb távolság-skálán történnek, mint az elektron átlagos szabad úthossza a felépítő rétegek bármelyikének tömbi formájában. Különösen érdekesek a nanométer körüli rétegvastagságokkal rendelkező (ferro-)mágneses/nemmágneses multirétegek. Ezekben az elektron ugyanis a réteghatárokon áthaladva spinfüggő szórást is szenvedhet. A spinfüggő szórás miatt az ilyen anyagok fajlagos ellenállása nagyban függ az alkalmazott külső mágneses tértől. Ez a jelenség a mágneses ellenállás, ill. multirétegekben az óriás mágneses ellenállás (Giant MagnetoResistance, =GMR). Nézzen meg egy videót a GMR jelenségről!

Kutatócsoportunk a GMR-viselkedést mutató anyagokat elektrokémiai leválasztással állítja elő. (Tekintsen meg egy videót a mintaelőállítás folyamatáról.) Az általunk létrehozott multirétegek összetétele igen sokféle lehet. Néhány példa: Ni-Cu/Cu, Co-Cu/Cu, Co-Ni-Cu/Cu, Co-Fe-Cu/Cu, Co-Ru/Ru, Co-Ag/Ag. A kutatócsoport kiemelkedő eredményei az elmúlt években a következőképpen rendszerezhetők:

- Az elektrokémiai fémleválasztással kapcsolatos eredmények:

♦ A korábban alkalmazott  áram- vagy potenciál-vezérelt leválasztási módszerek mellett bevezettük azt a vegyes leválasztási módszert, amellyel az egymást követő rétegek tetszőleges módszerrel választhatók le.
Vonatkozó közlemény: 
V. Weihnacht, L. Péter, J. Tóth, J. Pádár, Zs. Kerner, C. M. Schneider, I. Bakonyi; Giant magnetoresistance in Co-Cu/Cu multilayers prepared by various electrodeposition control modes; J. Electrochem. Soc. 150 (2003) C507-C515.

♦ Kidolgoztuk a nem-mágneses réteg leválasztási körülményeinek helyes megválasztásához szükséges optimalizációs eljárást.
Vonatkozó közlemény: 
L. Péter, Q. X. Liu, Zs. Kerner, I. Bakonyi, Relevance of the potentiodynamic method in parameter selection for pulse-plating of Co-Cu/Cu multilayers, Electrochim. Acta 49(2004) 1513-1526.

-  A multirétegek fizikai sajátságaival kapcsolatos eredmények:

♦ Megmutattuk, hogy a multirétegek mágneses ellenállása felbontható egy ferromágneses (FM) és egy szuperparamágneses (SPM) eredetű járulékra.
Vonatkozó közlemény: 
I. Bakonyi, L. Péter, Z. Rolik, K. Kis-Szabó, Z. Kupay, J. Tóth, L. F. Kiss, J. Pádár; Decomposition of the magnetoresistance of multilayers into ferromagnetic and superparamagnetic contributions, Phys. Rev. B 70 (2004) 054427(1-10).

♦ Meghatároztuk az FM és SPM járulékok nagyságát számos különféle fürdőből készült, változatos réteg-össszetételű és rétegvastagságú mintán.
Vonatkozó közlemények: 
Qun-Xian Liu, László Péter, József Pádár and Imre Bakonyi; Ferromagnetic and Superparamagnetic Contributions in the Magnetoresistance of Electrodeposited Co-Cu/Cu Multilayers; J. Electrochem. Soc. 152 (2005) C316-C323.
L. Péter, V. Weihnacht, J. Tóth, J. Pádár, L. Pogány, C.M.Schneider, I. Bakonyi; Influence of superparamagnetic regions on the giant magnetoresistance of electrodeposited Co-Cu/Cu multilayers; J. Magn. Magn. Mater. 312 (2007) 258-265.

♦ Megmértük a mágneses ellenállás FM és SPM járulékainak hőmérsékletfüggését számos mintán. A mérések értelmezéséhez adaptáltuk a kölcsönható szuperparamágneses részecskék modelljét az elektrokémiai úton leválasztott multirétegekre.
Vonatkozó közlemény: 
L. Péter, Z. Rolik, L.F. Kiss, J. Tóth, V. Weihnacht, C.M.Schneider and I. Bakonyi, Temperature dependence of the giant magnetoresistance and magnetic properties in electrodeposited Co-Cu/Cu multilayers: the role of superparamagnetic regions; Phys. Rev. B 73 (2006) 174410/1-10.

♦ Számos új eredményt értünk el a multirétegek szerkezetének vizsgálatával kapcsolatban, és feltártuk a szerkezet és a mágneses ellenállás közötti összefüggéseket.
Vonatkozó közlemények: 
Á. Cziráki, L. Péter, V. Weihnacht, J. Tóth, E. Simon, J. Pádár, L. Pogány, C.M.Schneider, T. Gemming, K. Wetzig, G. Tichy, I. Bakonyi, Structure and giant magnetoresistance behaviour of Co-Cu/Cu multilayers electrodeposited under various deposition conditions; J. Nanosci. Nanotechnol. 6 (2006) 2000-2012.
D. Rafaja, C. Schimpf, V. Klemm, G. Schreiber, I. Bakonyi and L. Péter; Formation of microstructure defects in electrodeposited Co/Cu multilayers; Acta Materialia 57 (2009) 3211–3222.
 

Elektrokémiai leválasztással készült anyagok mélységi komponens-eloszlásának vizsgálata  (Péter László; 2007-től)

Az elektrokémiai multiréteg-leválasztással kapcsolatban felismertük, hogy a néhány nanométeres vastagságú és több komponenst tartalmazó rétegekben számottevő összetételi gradiens alakulhat ki a leválasztás során a rétegnövekedés irányában. Ezt az összetételi változást közvetve jelzi számunkra a bruttó összetétel változása a rétegvastagsággal. Az alkotóelemek kondentráció-gradiense azonban mélységprofil-analitikai vizsgálatokkal közvetlenül is kimutatható. Ehhez az MTA ATOMKI Elektronspektroszkópiai Osztályán üzemeltetett szekunder semleges tömegspektrometriás berendezést használtuk (témavezető az ATOMKI-ban: Vad Kálmán).

A mélységprofil-analitikai vizsgálatok segítségével elért legfontosabb eredményeink a következők:

♦ Új eljárást vezettünk be elektrokémiai úton leválasztott anyagok mélységprofil vizsgálatára. Ennek lényege, hogy a kapott rétegnek a hordozóról való eltávolítása után az analízis a hordozó irányából végezhető el, és így a kezdetben leváló anyag összetételéről nyerhető a legpontosabb információ.
Vonatkozó közlemény: 
A. Csik, K. Vad, G.A. Langer, G.L. Katona, E. Tóth-Kádár, L. Péter; Analysis of Co/Cu multilayers by SNMS reverse depth profilig; Vacuum 84 (2010) 141–143.

♦ Megmutattuk, hogy a vascsoport fémeiből felépülő mágneses rétegekben a növekedés irányában kialakuló koncentráció-gradiens a leválási preferencia és az elektrolitban végbemenő lassú anyagszállítás együttes eredménye.
Vonatkozó közlemény: 
László Péter, Gábor L. Katona, Zoltán Berényi, Kálmán Vad, Gábor A. Langer, Enikő Tóth-Kádár, József Pádár, Lajos Pogány and Imre Bakonyi; Electrodeposition of Ni-Co-Cu/Cu multilayers. 2. Calculations of the element distribution and experimental depth profile analysis; Electrochimica Acta, 53 (2007) 837-845.

♦ Megmutattuk, hogy a Fe-Co-Ni ötvözetek állandó árammal történő leválasztása során is kialakul egy kb. 400 nm vastagságú kezdeti zóna, amelyben a komponensek koncentrációja nagymértékben változik, illetve egyes esetekben még oszcillál is.
Vonatkozó közlemények: 
Attila Csik, Kálmán Vad, Enikő Tóth-Kádár, László Péter;Spontaneous near-substrate composition modulation in electrodeposited Fe-Co-Ni alloys; Electrochemistry Communications 11 (2009) 1289–1291; László Péter, Attila Csik, Kálmán Vad, Enikő Tóth-Kádár, Áron Pekker, György Molnár; On the composition depth profile of electrodeposited Fe–Co–Ni alloys, Electrochimica Acta 55 (2010) 4734–4741.

♦ Megmutattuk, hogy a multirétegek mélységprofil-analízisének eredményeként kapott lecsengő összetételi moduláció a leválasztott anyag felületi durvaságának növekedésével egyértelműen magyarázható. A durvaság figyelembe vételére számítási módszert is javasoltunk.
Vonatkozó közlemény: András Bartók, Attila Csik, Kálmán Vad, György Molnár, Enikő Tóth-Kádár, László Péter; Application of Surface Roughness Data for the Evaluation of Depth Profile Measurements of Nanoscale Multilayers; J. Electrochem. Soc. 156 (2009) D253-D260 .

♦ Számos nikkel ötvözetre megmutattuk, hogy a nikkel mellett preferáltan leváló ötvözőelem a hordozóhoz közeli zónában feldúsul.
Vonatkozó közlemény: Katalin Neuróhr, Attila Csik, Kálmán Vad, András Bartók, György Molnár, László Péter, Composition depth profile analysis of electrodeposited alloys and metal multilayers: the reverse approach, J. Solid State Electrochem.  15 (2011) 2523–2544.
 

Előzmények: Nanokristályos fémek előállítása és vizsgálata  (Bakonyi Imre; 1990-2000.)

Elektrokémiai úton leválasztott nanokristályos nikkel és kobalt rétegeken, valamint gyorshűtött ötvözeteken vizsgáltuk a mikroszerkezet változásait. A szerkezeti változások követése az elektromos transzport tulajdonságok, illetve az elekrolitikusan bevitt hidrogén okozta hatások mérésével történt.

1 és 10 μm közötti vastagságú porozitás-mentes nikkel réteget állítottunk elő egyenáramú és impulzus leválasztással. A hordozóréteg eltávolítása után a leválasztási körülmények, a fürdő összetétele, hordozó anyaga (Cu vagy Ti) és az alkalmazott áramsürűség függvényében tanulmányoztuk nanokristályos nikkel réteg felületének morfológiáját (SEM), mikroszerkezetét (elekron és röntgen-diffrakcióval), transzport tulajdonságait, Curie-hőmérsékletét és termikus stabilitását. Az egyenáramú leválasztás során a szemcseméretet 30 nm-re sikerült leszorítani. Impulzusos leválasztások során a pulzus időtartamát 1 msec és 10 sec között változtatva a nikkel réteg maradékellenállása és az ellenállás hőmérsékletfüggése széles határok között változtaható. Arra következtettünk, hogy a nagy maradékellenállás nem csak a szemcsehatárok, hanem az előállítás során keletkező más rácshibák következménye is.
 

Egyéb elektrokémiai tárgyú munkák: Elektrokémiai hidrogén-permeáció  (Péter László, 2000-2004.)

Egy ipari együttműködés keretében vizsgáltuk zománcozható acélok hidrogén-elnyelő és hidrogén-áteresztő képességét. Munkánk során elméleti modellt dolgoztunk ki a hidrogén-elnyelés leírására, elektrokémiai cellát terveztünk és építettünk a kísérletek céljára, kidolgoztuk a kilépőoldal in situ aktiválásának módszerét, megadtuk a teljes többlépcsős permeációs eljárás mérési protokolját, specifikáltuk az eljáráshoz szükséges műszert, valamint számítógépprogramot írtunk a mérés kiértékeléséhez. A megalkotott eljárást 2003-ban az SZFKI Alkalmazott Kutatási Díjával jutalmazták. A módszert a DUNAFERR-nél ma is alkalmazzák.
 

Egyéb, nem elektrokémiai jellegű munkák: Kőzetekben megjelenő mikro- és nanoszerkezetek vizsgálata (Dégi Júlia, 2008-tól)  

A kőzetekben lezajló, de termodinamikai egyensúlyt még el nem ért folyamatok fontos információt szolgáltatnak a litoszféra időbeli fejlődéséről és a különböző geoszéfrák közötti kölcsönhatásról. Mindemellett a kőzettani folyamatok vizsgálata hozzájárul a lassú, szilárd fázisú kémiai reakciók jobb megértéséhez is, hiszen a laboratóriumi kísérletek időtartama erősen limitált. Kutatócsoportunk elsősorban a kőzetekben megjelenő szilárd fázisú kémiai reakciók hatására bekövetkező mikro- és nanoszerkezeti változások, valamint az így kialakuló szubmikrométeres kémiai inhomogenitások vizsgálatával, termodinamikai és kinetikai modellezésével foglalkozik.

Egy korábbi munkánkban megmutattuk, hogy a Balaton-felvidéken található alsó kéreg eredetű kőzetfragmentumokban (xenolitokban) megfigyelhető kőzettani folyamatok és fluidum-kőzet kölcsönhatások egyértelmű kapcsolatban vannak a Kárpát-Pannon-medence kialakulását eredményező tektonikai folyamatokkal. (Lásd: Török, K., Dégi, J., Marosi, Gy. Szép, A. (2005): Reduced carbonic fluids in mafic granulite xenoliths from the Bakony-Balaton Highland Volcanic Field, W-Hungary. Chemical Geology, 223, 93-108., ill. Dégi, J., Török, K. (2003): Kőzettani bizonyítékok a kéreg kivékonyodására a Bakony-Balaton-felvidék vulkáni területen. Magyar Geofizika, 44/4. 125-133.)

♦ Modern elektrunsugaras analitkai technikák segítségével szubmikronos kémiai zónásságot mutattunk ki ezen kőzetekben található Fe-Ti-oxidokban. Ennek alapján meghatároztuk, hogy a Fe-Ti-oxidok és a befogadó alkáli bazalt kölcsönhatása 1200°C-os hőmérsékleten 9-20 óra alatt játszódott le, és jelentős kőzetkémiai változásokat eredményezett. Emellett becslést adtunk a Fe-Ti interdiffúziós együtthatóra ilmenitben.
Vonatkozó közlemény:
Dégi, J., Abart, R., Török, K., Rhede, D., Petrishcheva, E. (2009): Evidence for xenolith - host basalt interaction from chemical patterns in Fe-Ti-oxides from mafic granulite xenoliths of the Bakony-Balaton Volcanic field (W-Hungary). Mineralogy and Petrology, 95(3-4), 219-234.

♦ Részletesen vizsgáltuk a gránát bomlását a fenti kőzetekben, mely egy nanométeres szemcseméretű, speciális mikroszerkezetű (szimplektites) reakcióterméket eredményező szilárd fázisú kémiai reakció. A reakciótermékből és a reakciófrontról fókuszált ionsugaras technikával orientáltan készített transzmissziós elektronmikroszkópos minták vizsgálata új információkat szolgáltatott a mozgó reakciófront mentén történő szilárd fázisú fázisszétválás mechanizmusára vonatkozóan.
Vonatkozó közlemény:
Dégi, J., Abart, R., Török, K., Bali, E., Wirth R., Rhede, D. (2009) Symplectite formation during decompression induced garnet breakdown in lower crustal mafic granulite xenoliths: mechanisms and rates. Beküldve a Contributions to Mineralogy and Petrology c. folyóirathoz.