| Vissza a kezdőlapra | ||
|
||
Kutatási tevékenység és érdeklődési kör
A Elektrolitikus Nanoszerkezetek Csoport kutatási profilja igen változatos. A jelenleg kísérletileg is művelt kutatási irányok mellett érdeklődésre tartanak számot az elektrokémiai jelenségek általában, de különösen azok, amelyeke 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.
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.
Alumínium megfelelő körülmények között végrehajtott elektrokémiai marásával szabályos pórusrendszerű alumínium-oxid membrán készíthető. A membrán egyik felét fémmel párologtatva olyan hordozót kapunk, amelynek segítségével elektrokémiai leválasztással fém nanohuzalok növeszthetők. Az elektrokémiai fémleválasztás egyedi lehetőséget kínál a pórusok fémmel történő kitöltésére. A pórusos alumínium-oxid sablon marására alkalmas munkaállomást a korábbi ipari utatási projektünk hozadékánól tudjuk felállítani várhatóan 2012 szeptemberére. A membránok ekészítésével kapcsolatos tapasztalatokat külföldi együttműködések segítségével már régóta gyűjtjük.
A nemvizes közegekből történő fémleválasztás nagy perspektívákkal rendelkező kutatási ág, mivel a
víz stabilitási tartományában le nem választható fémötvözetek készítése felé is megnyitja az utat. A szakirodalom
az utóbbi évtizedben ugyan az ionos folyadékokból történő fémleválasztásról szólt leginkább, de az ionos
folyadékok kezelésének és árának fényében a gyakorlati alkalmazásuk igen messzinek látszik. Ezért mi olyan
szerves oldószereket szeretnénk kipróbálni, amelyek stabilitása az ionos folyadékokéhoz hasonlóan nagy, de
kezelésük bármilyen más oldószeréhez hasonlóan egyszerű. E kutatási törekvésüket az OTKA a 104696 sz. pályázat
keretében támogatja 2015 végéig.
A kutatás során az alábbi ötvözetcsoportok előállítására szeretnénk kísérletet tenni:
- Heusler ötvözetek
- Mn tartalmú, antiferromágneses sajátságú ötvözetek
- ritkaföldfém-mágnesek
- nagy magnetostrikciójú ötvözetek (pl. Fe-Ga)
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 elektron-mikroszondás (EPMA) 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.
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.