Konische Mikro- und Nanostrukturen besitzen spezifische magnetische, superhydrophobe und elektrokatalytische Eigenschaften und sind deshalb von hohem Interesse für eine Vielzahl von Anwendungen.
Eine einfache und kostengünstige Methode zur Synthese dieser strukturierten Schichten ist die elektrochemische Abscheidung. Neben dem Einsatz von Capping-Reagenzien (engl. Capping agents) könnten Magnetfelder das lokale Konuswachstum auf einer planaren Elektrode unterstützen.
In der vorliegenden Dissertation wird die Elektroabscheidung an konisch strukturierten Metallschichten in Magnetfeldern untersucht.
Je nach Ausrichtung und Stärke des Magnetfeldes können die Lorentzkraft und die magnetische Gradientenkraft die Strömung des mit Metallionen angereicherten Elektrolyts in Richtung der Konusspitze gezielt antreiben.
Folglich erhöht das Magnetfeld die lokale Abscheidungsrate und fördert das Konuswachstum. Für ein grundlegendes Verständnis des Effektes werden
systematische numerische und theoretische Untersuchungen für die Elektroabscheidung an mm-großen Konen unterschiedlicher Materialien, Formen und Anordnungen unter verschiedenen elektrochemischen und magnetischen Bedingungen durchgeführt. Ein parallel zur Konusachse ausgerichtetes homogenes externes Magnetfeld erzeugt durch die Magnetisierung der ferromagnetischen Konen eine magnetische Gradientenkraft, die zu einer starken Unterstützung für das Konuswachstum führt. Dabei überwiegt sie oft gegenüber der Lorentzkraft und der Auftriebskraft, die durch Elektrodenreaktionen entsteht. Diese unterstützende Wirkung wird nur geringfügig abgeschwächt, wenn sich benachbarte Konusse einander annähern. Die numerischen Ergebnisse werden durch experimentelle Daten für verschiedene Konfigurationen und Abscheidungsparameter validiert.
Um den Effekt der Magnetfelder zur Unterstützung des Wachstums kleinerer konischer Strukturen im Mikro- und Nanometerbereich zu ermitteln,
werden die Skalengesetze für die Geschwindigkeiten der magnetisch angetriebenen lokalen Strömungen beim Verkleinern der Konusgröße aus numerischen Simulationen abgeleitet und durch eine analytische Lösung bestätigt. Obwohl die magnetische Gradientenkraft eine günstige Strömung bei ferromagnetischen Konussen erzeugt, limitieren die kleine Größe der Strömungsregion und die nahezu konstant verbleibende Dicke der Konzentrationsgrenzschicht die Unterstützung der Magnetfelder. Diese kann jedoch durch die Anwendung gepulster Ströme sowie moderat auch durch den Einsatz stärkerer Magnetfelder weiter erhöht werden. Weiterhin wird
eine einfache Modellierung entwickelt, um den Einfluss von Capping-Reagenzien bei der Abscheidung von Nano-Strukturen numerisch zu simulieren.
Experimentelle Resultate der von Partnern in Krakau durchgeführten Elektroabscheidung von nanostrukturierten Ni-Schichten in magnetischen Feldern werden mittels Simulationen sowohl globalen Zellströmung als auch der lokalen Strömung analysiert. Die Betrachtung beider Aspekte liefert eine Interpretation der experimentellen Ergebnisse und ermöglicht ein besseres Verständnis der Wirkung des capping agents.
Zum Schluss wird der Einfluss der Wasserstoff-Nebenreaktion einbezogen.
Die numerischen Ergebnisse zeigen, dass an der Konusspitze sitzende Wasserstoffblasen das Konuswachstum verringern können. Gleichzeig wird die durch die magnetischen Kräfte getriebene Strömung die Ablösung der Wasserstoffblase geringfügig verzögern. / Micro- and nano-sized conical structures possess specific magnetic, superhydrophobic and electrocatalytic properties and are therefore attractive for numerous applications. Among the various methods of manufacturing such structured layers, electrodeposition appears a simple and inexpensive method. Beside the use of capping agents, the application of magnetic fields could support the local growth of cones on a non-templated planar electrode.
This dissertation investigates electrodeposition at conically structured metal layers in external magnetic fields. Depending on the direction and the intensity of the magnetic field, the Lorentz force and the magnetic gradient force can generate electrolyte flow and bring electrolyte enriched with metal ions towards the cone tips. As a result, the local deposition rate is increased and conical growth is promoted. In order to obtain a basic understanding of the magnetic field effects, systematic numerical and theoretical investigations are performed for electrodeposition at mm-sized cones of different materials, shapes and arrangements under different electrochemical and magnetic conditions. If a uniform external magnetic field is oriented parallel to the cone axis, the magnetic gradient force enabled by the magnetization of ferromagnetic cones provides a strong support for conical growth, thereby often dominating over the Lorentz force and the buoyancy force arising from electrode reactions. This supporting effect is only slightly mitigated when neighboring cones are getting closer. The numerical results shown are validated by experimental data for different configurations and deposition parameters.
In order to explore the prospects of magnetic fields to enhance the growth of smaller, micro- and nanometer sized conical structures, scaling laws of the local flows driven by the magnetic forces are derived numerically and confirmed analytically for shrinking cone sizes. Although the magnetic gradient force can generate a beneficial flow at ferromagnetic cones, the small flow region and the nearly constant thickness of the concentration boundary layer limit the support of the magnetic field. Enhancements of the structuring effect are observed for pulsed deposition and, despite only moderately, at higher magnetic field intensities. Furthermore, a simplified modeling approach is developed to simulate the growth mechanism of nano-cones with respect to the influence of capping agents.
Experimental results of the electrodeposition of Ni cones in magnetic fields obtained by partners in Krakow are analyzed by performing simulations of both the global cell flow and the local flows generated by magnetic fields of different orientations. This two-step approach provides an interpretation of the experimental results, and gives a deeper insight on how the capping agent influences the local growth.
Finally, the impact of the hydrogen side reaction on the electrodeposition in magnetic fields is considered. The numerical results indicate that hydrogen bubbles sitting at the cone tips may damp conical growth, while the magnetic-field-driven flow imposes a weak stabilizing force on the bubble.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:79737 |
| Date | 24 June 2022 |
| Creators | Huang, Mengyuan |
| Contributors | Eckert, Kerstin, Tschulik, Kristina, Mutschke, Gerd, Technische Universität Dresden, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf e.V., Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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