ФИЗИКА/ 2.Физика твердого тела.

Пименов Ю.Н.,  Легенький Ю.А. 

Донецкий национальный университет, Украина.

Селективное осаждение меди на медную подложку в градиентном магнитном поле

В последнее время в научных публикациях интенсивно исследуются возможности градиентного магнитного поля для управления движением и распределением ионов в растворах электролитов [1-4]. В работах [3, 4] показано, что при помещении стального тела в раствор медного купороса, при достаточной напряженности намагничивающего поля, вблизи магнитных полюсов стального тела формируются области с повышенной концентрацией ионов Fe²⁺. В работах [3-5] показано, что, за счет формирования таких областей с повышенной концентрацией ионов железа, можно осуществлять селективное осаждение[3,4] или травление [5] слоев меди непосредственно на градиентной насадке, формирующей вблизи себя высокоградиентное магнитное поле. В работе [1] получено неоднородное электролитическое осаждение меди, созданное с помощью массива ферромагнитных насадок. В настоящей работе предлагается метод селективного осаждения меди на медную подложку, расположенную вблизи ферромагнитного стального тела без непосредственного контакта с ним и без приложения внешнего электрического напряжения, отличающийся от методов селективного осаждения медных слоев, рассмотренных в работах [1-5].

Идея опытов. Известно, что при помещении медной подложки в раствор медного купороса осаждения меди не наблюдается. При этом в литературе [6] известен метод химического восстановления, который заключается в том, что медные покрытия получают в результате восстановления ионов меди из водного раствора этих ионов, содержащих восстановитель. В качестве восстановителя можно использовать ионы металлов в низшей степени окисления (Fe²⁺, Sn²⁺, Ti³⁺, Cr²⁺, Co²⁺). Так как в работах [3-5] было установлено, что вблизи магнитного полюса стального тела, помещенного в раствор медного купороса, формируется область с повышенным содержанием ионов Fe²⁺ , то возникла идея осадить медь на медную подложку, помещенную в эту область.

Проведение опытов. Схема установки для проведения экспериментов приведена на рисунке 1А. Стальной цилиндр (2) диаметром D, заточенный на конус под углом a, устанавливался на держателе в кювете (1), которая размещалась в зазоре магнитной системы. Магнитное поле было направлено вдоль оси цилиндра. На расстоянии L от кончика цилиндра (в непосредственной близости от области повышенной концентрации ионов Fe²⁺, обозначенной на рисунке 1А цифрой 3) устанавливалась медная подложка (4). Перед установкой поверхность медной подложки полировалась и обезжиривалась. Плоскость подложки была расположена перпендикулярно оси цилиндра. В кювету заливался 5% раствор медного купороса (5).

Рисунок 1. Схема опыта и фотография селективного осаждения меди в градиентном магнитном поле

В результате проведения опытов установлено, что если L лежит в некотором диапазоне, зависящем от параметров опыта, то на медной пластине, в области, расположенной напротив острия цилиндра, наблюдается селективное осаждение меди (на рисунке 1А обозначена цифрой 6). Медь осаждается в виде кольца (рис. 1Б). Параметры области осаждения меди зависят от диаметра насадки D, напряженности магнитного поля Н, угла заточки a, концентрации раствора и расположения подложки относительно градиентной насадки. На рисунке 1Б приведена фотография, селективного осаждения меди, полученного в одном из опытов, при L=1 мм, напряженности магнитного поля Н = 1000 Э, угле a=45°, времени осаждения 20 минут. На рисунке 1Б цифрой 1 обозначена область селективного осаждения меди, а цифрой 2 подложка. Контрольные опыты, проведенные в полностью идентичных условиях, но без магнитного поля, показали отсутствие как селективного, так равномерного осаждения меди. Из рисунка 1Б видно, что профиль кольца осажденной меди имеет вид кратера с минимальным размером частиц внутри кратера и максимальным размером частиц, осажденных по периметру кратера, которые имеют размер порядка 60 мкм. Такой профиль образуется в связи с тем, что в области с повышенной концентрацией ионов железа возникает, обнаруженное в работах [3, 4], вращение раствора, обусловленное действием сил Лоренца. Возникающий при этом массоперенос раствора в области осаждения является наибольшим по периметру кольца, а это обеспечивает наибольший приток новых ионов меди и железа в данную область.

В опытах проведенных на аналогичных насадках, но с добавлением в раствор ионов серебра, которые визуализируют области раствора с повышенной концентрацией ионов железа [4] установлено, что зависимости размеров области с повышенной концентрацией ионов Fe²⁺ от параметров эксперимента D, Н, и a коррелируют с размерами области селективного осаждения меди.

Выводы. В результате проведенных исследований обнаружен эффект селективного осаждения меди из раствора медного купороса на медную подложку вблизи полюсов намагниченного стального тела, которое формирует области с повышенной концентрацией ионов Fe²⁺. Параметрами осаждения можно управлять с помощью магнитного поля. Полученные результаты могут применяться в химии, электрохимии, биологии, медицине и других областях науки и техники.

Литература:

1. Tschulik K. Magnetoelectrochemical Surface Structuring: Electrodeposition of Structured Metallic Layers in Magnetic Gradient Fields / K. Tschulik, J. Koza, M. Uhlemann, A. Gebert, L. Schultz// ECS Transactions, Vol. 25, No. 41.- P.149-153

2. Pullins M. D. Microscale confinement of paramagnetic molecules in magnetic field gradients surrounding ferromagnetic microelectrodes / Micah D. Pullins, Kyle M. Grant, Henry S. White

// J. Phys. Chem. – 2001.- 105 (37).-P. 8989 -8994.

3. Горобец Ю.И.Формирование медных покрытий железных образцов в неоднородном магнитном поле. / Горобец Ю.И., Горобец С.В., Легенький Ю.А., Лобода С.Н., Пименов Ю.Н // Металлофизика и новейшие технологи. -2006.- т.28, №12.-С. 1615-1621

4. Горобец Ю.И. Анизотропное осаждение дендритных покрытий в градиентном магнитном поле из пара –и диамагнитных растворов. / Ю.И.Горобец, С.В.Горобец, Ю.А.Легенький, Ю.Н.Пименов // Вісник Донецького національного університету Сер. А: Природничі науки. -2009.- вип. 1 -С. 266-271.

5. Горобец С.В. Управление локальной концентрацией ионов в растворе градиентным магнитным полем. / С.В.Горобец, Ю.И. Легенький, Ю.Н.Пименов // Perspektywiczne opracowania nauki i techniki-2008: Mater. IV miedzynar. nauk.-prakt. konf. (07-15 listopada 2008 r.), vol. 12, Przemysl, Polska, 2008», т.12, С. 66-68

6. Шалкаускас М. Химическая металлизация пластмасс. / М. Шалкаускас, А. Вашкялис. – Л.: Химия, 1985.-144 с.