| Vissza a kezdőlapra | ||
|
||
Kutatási tevékenység és érdeklődési kör
Az elektrokémia labor kutatási profilja igen változatos. A jelenleg kísérletileg is művelt kutatási irányok mellett érdeklődésre tartanak számot az elektrokémiai jelenségek általában, de különösen azok, amelyek során más fizikai jelenséggel is számolni kell. Így például érdekes kérdésnek számít a mágneses tér hatása az elektrokémiai jelenségekre. Összefoglalásként azt mondhatjuk, hogy az alkalmazott elektrokémia minden ága potenciális kutatási területnek számít, amelynek fizikai, illetve szilárdtestfizikai vonatkozása lehet. Az alábbi összefoglaló a jelenleg napirenden lévő, illetve a közelmúltban művelt kutatási irányokat tekinti át.
Az elmúlt évtizedben a sokkomponensű fémes anyagok kutatása nagyon megélénkült. Különösen nagy fejlődés volt tapasztalható az ún. "nagyentrópiás ötvözetek" fejlesztése terén. Ezek olyan ötvözetek, amelyekben sok (öt vagy több) komponens van jelen közel egyenló arányban (mindegyik komponens móltörje 0,05 és 0,35 között van). Az ilyen ötvözetekben nincs kitüntetett fő alkotóelem, és az ötvözet sajátságait sem lehet az egyes ötvözetalkotók tulajdonságaiból levezetni. Az ilyen anyagok tervezhető elektrokémiai leválasztása réteg formájában különösen nagy kihívást jelent.
Kutatásunk legfontosab területe az 1996-2011 közötti időszakban a váltakozó mágneses / nem-mágneses rétegeket tartalmazó minták előállítása és vizsgálata volt. Az egyes rétegek vastagsága jellemzően a nanométeres tartományba kellett hogy essen (0,5-6 nm), azaz ideális esetben teljes borítottságot és egyenletes rétegvastagságot kellett elérni akár 2-3 atomi réteg felvitele során is.
A minták előállítása elektrokémiai leválasztással történt. Legtöbbször egyetlen fürdőt használtunk, amelyben mindkét leválasztandő fém ionjai jelen voltak, de a nem-mágneses fém ionjai 1-2 nagyságrendel kisebb koncentrációban, mint a mágneses fém ionjai. A multiréteg leválását az áram vagy potemciál négyszögimpulzusokkal (esetleg bonyolultabb impulzussorral) történő modulálásával értük el. Megoldottuk a multirétegek vegyes potenciosztatikus-galvanosztatikus leválasztását is tetszőleges számú réteggel egy perióduson belül.
A minták előállítását követően azokon többféle vizsgálat történt. Az összetétel megállapítására en ergiadiszperzív röntgenspektroszkópiás (EDS) módszert használtunk, a felület morfológiai jellegzetességeit pedig pásztázó elektronmikroszkóppal (SEM) és atomerő mikroszkóppal (AFM) vizsgáltjuk. A minták kristályszerkezetét röntgendiffrakcióval (XRD) állapítottuk meg, és egyben az kristálytani orientációról és a szemcseméretről is információt kaptunk. A minták mélységprofil-analízisét a debreceni ATOMKI intézet munkatársaival történő együttműködés keretében tanulmányoztuk.
A minták szerkezetvizsgálata mellett a mágneses ellenállás vizsgálata volt a legfontosabb cél. A mágneses ellenállást a 10-300 K hőmérséklet-tartományban tudjuk mérni. Mágneses ellenállás alatt az adott mágneses térben és a nulla térben mért ellenállás arányát értjük. A mágneses / nem-mágneses multirétegek ellenállásának mágneses tér hatására történő változása a mágneses rétegek mágnesezettségének spontán beállásával, illetve a szomszédos mágneses rétegek csatolásával van kapcsolatban. Ezt a jelenséget már 1997-től kezdődően elterjedten használják a mágneses adattárolásban az információ gyors leolvasására. A kutatás fő célja a mágneses ellenállás és az elektrokémiai leválasztási paraméterek közötti kapcsolat feltárása volt, kiegészítve a szerkezeti adatokból nyerhető magyarázattal. A mágneses ellenállás jelenségének fontosságát mutatja, hogy az effektus felfedezői megkapták a 2007. évi fizikai Nobel-díjat.
Elektrokémiai fémleválasztási folyamatokban a leválasztás megkezdésekor mindig vagy egy átmeneti szakasz, amíg
a leválási folyamat körülményei elérik az állandósult állapotot. Ultravékony (kb. 200 nm alatti teljes vastagságú)
bevonatok esetén ez az állandósult állapot esetleg ki sem alakul. A tranziens szakaszban képződő fémréteg
összetétele folyamatosan változhat, így a komponensek móltörtjének a növekedési irányban gradiense van. Különösen
mágneses anyagoknál ez ronthatja az elvárt tulajdonságokat, például a változó összetétel változó rácsállandót is
jelent, így az anyagban feszültség keletkezik, és a magnetostrikció miatt a koercitív tér megnő.
Elektrokémiai fémleválaztással kapott bevonatok mélységprofil-analízisére olyan mintakészítési eljárást
fejlesztettünk ki, amellyel a minta a hordozótol elválasztható, és a kiindulási felület a nanométeres skálán
nézve is elegendően sima. Így a mélységprofil-analízis éppen a hordozó közeli zóna összetételi változásait
tudja a legérzékenyebben leképezni. A mélységprofil-analitikai vizsgálatokat a debreceni ATOMKI Elektonspektroszkópiai és
Anyagtudományi Osztályán üzemeltetett szekunder semleges tömegspektrométerrel végezzük (együttműködő
témavezető az ATOMKI részéről: Vad Kálmán).
Számos ötvözet esetén sikerült kimutatni a fémleválasztás kezdeti szakaszában létrejövő tranziens zónát. Eddig Ni-Co, Ni-Fe, Ni-Co-Fe, Ni-Co-Cu, Ni-Cd és Ni-Sn ötvözetek leválasztásának tranziens jelenségeivel foglalkoztunk. A későbbiekben a Zn vascsoport fémeivel alkotott ötvözeteit is szeretnénk megvizsgálni, mivel a leválási preferencia miatt ezeknél az anyagoknál is számítunk az összetételi gradiens megjelenésére.
A hidrogén fémekben történő elnyeletése, tárolása és kinyerése az energetikai ipar egyik legnagyobb kihívása. A téma fontossága miatt szerte a világon foglalkoznak hidrogéntároló anyagok fejlesztésével és a fémekben oldott hidrogén viselkedésével. Korábbi munkáinkban palládium-ezüst ötvözeteket használtunk mintaanyagoknak, és a hidrogén diffúziójának vizsgálata mellett a hidrogéncsapdák kérdésének szentelünk nagyobb figyelmet. A hidrogén elnyelődésének és kinyerésének követésére "in situ" ellenállás-mérésen alapuló rendszert használtunk, továbbá permeációs technikát is alkalmazunk.
A hidrogéntárolás mellett a hidrogénnek a szerkezeti anyagokra gyakorolt hatását is meg kell említeni. Legjellemzőbb példa a vas és a különféle acélok hidrogén hatására történő ridegedése. 2000. és 2002. között több ipari szerződés keretében, majd a 2002-2003. időszakban egy alkalmazott kutatási pályázat keretében foglalkoztunk a hidrogénnek az acélok zománcozhatóságára gyakorolt hatásával. Ez magában foglalta a vonatkozó diffúziós egyenletek egzakt megoldását, számítógépes modellezést a hidrogéncsapdák hatására vonatkozóan, valamint a konkrét kísérleti munkát a diffúziós együttható hőmérséklet-függésének meghatározására. A munka végső célja egy ipari körülmények között is alkalmazható minősítő eljárás kidolgozása volt. A kidolgozott eljárást az ipar átvette, és a DUNAFERR folyamatosan alkalmazza is saját minőségellenőzési rendszerében. A téma kutatásáért itélték oda az SZFKI Alkalmazott Kutatási Díját 2003-ben.
A 2000-es évek elején a DUNAFERR kutatógárdájával kialakult együttműködés nyomán 2010-ben elkezdtük egy ipari acéllemez pácolási folyamatot modellező laboratóriumi készülék kifejlesztését. A berendezés 2011. nyarán került átadásra. Hasonló ipari folyamatok laboratóriumi skálán történő vizsgálatával a későbbiekben is szívesen foglalkoznánk, ha ilyen irányú megkeresés érkezik.