Array Nanowai Fe Rasio Aspek Tinggi dengan Tekstur Terpadu melalui Elektrodeposisi Potensial Pulsed: Performa Magnetisasi Uniaksial

Abstrak

Array nanowai Fe dengan diameter 30 ± 5 nm dielektrodeposisikan ke dalam nanochannel alumina anodis (AAO) menggunakan teknik potensial persegi panjang pulsed. Pada potensial katodik −1,2 V, kawat tumbuh pada ~200 nm s⁻¹, mencapai rasio aspek ~2000. Ketika overpotensi besar diterapkan selama pulse on-time, sumbu panjang kawat selaras dengan arah <200>; overpotensi lebih kecil mendukung orientasi <110>. Dengan meningkatkan potensial on-time menjadi −1,8 V, koefisien tekstur untuk bidang (200), TC₍200₎, mencapai 1,94. Magnetisasi tegak lurus array meningkat dengan TC₍200₎ yang lebih tinggi, menghasilkan kekudaransesaran 0,95 sambil mempertahankan coercitivitas 1,4 kOe pada suhu ruang. Hasil ini menunjukkan jalan yang viable untuk magnet permanen bebas tanah langka berbasis array nanowai Fe.

Latar Belakang

Array nanowai menawarkan rasio permukaan-volume tinggi yang mendasari properti magnetik dan elektronik unik, membuatnya menarik untuk sensor, penyimpanan data, dan perangkat energi. Fabrikasi berbasis template, terutama menggunakan membran AAO, memberikan kontrol presisi terhadap diameter dan panjang pori, memungkinkan pertumbuhan satu dimensi yang dapat direproduksi dengan biaya rendah.

Studi sebelumnya telah menunjukkan elektrodeposisi nanowai Ni, Co, dan Fe ke dalam template AAO. Hu et al. menunjukkan bahwa nanowai Fe yang tumbuh dengan elektrodeposisi arus langsung dalam larutan klorida asam menunjukkan coercitivitas yang ditingkatkan (~2 kOe pada 5 K) dan kekudaransesaran saat diorientasikan pada bidang (200). Irfan et al. melaporkan bahwa anealing pasca dapat lebih lanjut menyempurnakan properti magnetik nanowai Fe dengan rasio aspek 80–100. Cornejo et al. menggunakan elektrodeposisi AC pada 15 V untuk menghasilkan nanowai Fe panjang 3–5 µm (rasio aspek ~100). Meskipun rasio aspek tinggi diinginkan untuk magnet permanen, pekerjaan sebelumnya jarang melebihi 1000.

Dalam studi ini, kami memproduksi array nanowai Fe dengan rasio aspek hingga 2000 dengan menggunakan teknik elektrodeposisi potensial pulsed yang memungkinkan overpotensi katodik tinggi untuk pertumbuhan cepat sambil menghindari efek merugikan pembentukan hidroksida yang membatasi pertumbuhan pada suhu yang lebih tinggi. Kami juga menyelidiki bagaimana overpotensi elektrodeposisi mempengaruhi orientasi kristal dan performa magnetik.

Eksperimen

Membran AAO dihasilkan dengan menganodis batang aluminium 99,99 % murni (diameter 10 mm) dalam proses dua tahap: pertama, pemolesan mekanik dan elektrokimia dalam etanol dengan 20 % asam perklorat pada 3,0 A cm⁻² selama 120 s; kedua, anodisasi dalam asam oksalat 0,3 M pada 12 °C selama 22 h dengan konstan 30 V. Setelah anodisasi, membran dipisahkan dari substrat aluminium dan lapisan emas 200 nm di-sputter pada satu sisi (10 mA selama 900 s). Sisi yang dilapisi emas ditempel pada piringan tembaga dengan pasta perak untuk berfungsi sebagai elektroda kerja.

Pendepositan Fe dilakukan dalam 0,05 M FeSO₄·7H₂O (pH 2) pada 30 °C, menggunakan elektroda kawat emas dan referensi Ag/AgCl. Untuk pertumbuhan potensiostatis, potensial katodik konstan −1,2 V diterapkan. Sebaliknya, protokol potensial persegi panjang pulsed menggunakan −1,5 V (atau −1,8 V) selama on-time 0,1 s dan −1,0 V selama off-time 1,0 s.

Proses fabrikasi array nanowai logam bebas: (a) template alumina alumina anodis, (b) film logam sputter-deposited, (c) nanowai logam elektrodeposited, dan (d) array bebas.

Setelah elektrodeposisi, template AAO dihilangkan dengan merendam dalam 5 M NaOH, leaving nanowai Fe bebas. Morfologi dan kristalografi mereka diperiksa dengan SEM field-emission (JEOL-JSM-7500FA, 5 kV) dan TEM (JEOL-JEM-ARM200F, 200 kV), dan XRD (Rigaku-SmartLab, Cu Kα). Properti magnetik diukur dengan magnetometer sampel getaran (VSM) pada suhu ruang, merekam histeresis loop dengan medan diterapkan tegak lurus (sumbu kawat) dan paralel dengan permukaan membran, hingga 10 kOe.

Hasil dan Pembahasan

Elektrodeposisi Array Nanowai Fe

Gambar 2a menunjukkan kurva polarisasi katodik (−0,2 V hingga −1,0 V, 30 mV s⁻¹) pada 30 °C. Kepadatan arus tetap ~4,5 × 10⁻⁴ A cm⁻² antara −0,2 V dan −0,5 V, meningkat tajam pada −0,55 V, menunjukkan awal evolusi hidrogen. Potensial setimbang untuk Fe²⁺/Fe dalam kondisi eksperimen adalah ~−0,68 V vs. Ag/AgCl, sehingga kenaikan arus di luar −0,7 V berkorespondensi dengan awal pendepositan Fe. Gambar 2b (plot Tafel) menunjukkan bahwa kemiringan menurun seiring meningkatnya overpotensi katonik dan merata di bawah −1,4 V, mencerminkan regime yang dibatasi oleh elektromigrasi. Oleh karena itu, −1,2 V dipilih sebagai potensial potensiostatis optimal untuk pertumbuhan Fe dalam pori AAO.

a Kurva polarisasi katodik; b Plot Tafel (laju sken 30 mV s⁻¹).

Selama pendepositan potensiostatis pada −1,2 V (Gambar 3), kepadatan arus awalnya menurun seiring menurunnya konsentrasi Fe²⁺ dan H⁺ di dekat dinding pori, kemudian stabil karena difusi massal. Kenaikan arus tajam menunjukkan penyelesaian panjang nanowai (~60 µm), mengonfirmasi laju pertumbuhan ~200 nm s⁻¹.

Ketergantungan waktu dari kepadatan arus selama pertumbuhan nanowai Fe pada −1,2 V.

Gambar 4 menggambarkan pola potensial yang diterapkan dan respons arus yang sesuai untuk pendepositan potensiostatis dan pulsed. Dalam regime pulsed, pulse on-time beramplitudo tinggi (−1,5 V atau −1,8 V, 0,1 s) menghasilkan arus instan yang lebih tinggi, sementara off-time pada −1,0 V mempertahankan arus katodik yang lebih rendah, mencegah pelarutan. Pulse on-time mendominasi pertumbuhan nanowai, menghasilkan perilaku kristalisasi yang berbeda dibandingkan kasus potensiostatis stabil.

a Pendepositan potensiostatis pada −1,2 V; b Pendepositan pulsed dengan −1,5 V on-time; c Pendepositan pulsed dengan −1,8 V on-time.

Struktur dan Orientasi Kristalografi Array Nanowai Fe

Gambar 5 menunjukkan potongan lintang SEM dari array setelah penghapusan AAO: kawat terkemas rapat dan terorientasi secara seragam. Gambar bright-field TEM (Gambar 6) mengonfirmasi diameter konsisten 30 ± 5 nm dan rasio aspek ~2000 untuk semua sampel.

Potongan lintang SEM dari array nanowai Fe.

Gambar bright-field TEM: (a) pendepositan potensiostatis pada −1,2 V; (b) pendepositan pulsed −1,5 V on-time; (c) pendepositan pulsed −1,8 V on-time.

Pola XRD (Gambar 7a) mengungkapkan ketergantungan kuat dari orientasi kristal pada parameter pendepositan. Dengan overpotensi kecil (potensiostatis), puncak (110) mendominasi, mencerminkan energi permukaan terendah dari bidang ini. Sebaliknya, pendepositan pulsed pada −1,8 V on-time menekan (110) dan meningkatkan puncak (200), menunjukkan transisi ke arah <200>. Pergeseran puncak dan bahu yang diamati dalam sampel pulsed menunjukkan tekanar tarik dan cacat kristal yang diinduksi oleh overpotensi tinggi.

a Pola XRD; b Koefisien tekstur (TC) vs. potensial on-time.

Koefisien tekstur, yang dihitung melalui rumus Harris, mengukur derajat orientasi terpilih. Pendepositan potensiostatis menghasilkan TC₍110₎ = 1,52 (penyelarasan <110>). Pendepositan pulsed pada −1,5 V memberikan TC₍110₎ ≈ 1,0 dan TC₍200₎ ≈ 1,0 (orientasi acak). Pada −1,8 V, TC₍200₎ naik menjadi 1,9, mengonfirmasi tekstur (200) yang kuat.

Magnetisasi Tegak Lurus Array Nanowai Fe

Gambar 8 menampilkan loop histeresis yang diukur dengan medan magnetik tegak lurus dan paralel dengan permukaan membran. Semua sampel menunjukkan anisotropi yang jelas: arah tegak lurus (sumbu kawat) menunjukkan coercitivitas dan kekudaransesaran yang lebih tinggi. Coercitivitas tetap ~1,3 kOe untuk sampel potensiostatis dan pulsed −1,5 V, meningkat menjadi 1,4 kOe untuk array pulsed −1,8 V. Yang lebih menarik, kekudaransesaran (M_R/M_S) naik dari 0,65 menjadi 0,95 seiring meningkatnya TC₍200₎, mencerminkan penyelarasan sumbu mudah di sepanjang <200>.

a Loop histeresis (tegak lurus vs. dalam bidang); b Kekudaransesaran vs. TC₍200₎ dan TC₍110₎.

Pengamatan ini mengonfirmasi bahwa baik orientasi kristal maupun anisotropi bentuk mengatur perilaku magnetik. Dengan mengontrol overpotensi pendepositan, metode potensial pulsed berhasil menyesuaikan tekstur dan dengan demikian mengoptimalkan performa magnetisasi array nanowai Fe.

Kesimpulan

Menyesuaikan overpotensi katodik selama elektrodeposisi potensiostatis dan potensial pulsed secara signifikan mempengaruhi orientasi kristal dan properti magnetik array nanowai Fe rasio aspek tinggi. Pendepositan potensiostatis pada −1,2 V mempromosikan orientasi <110> (TC₍110₎ = 1,52), sementara pendepositan pulsed pada −1,8 V on-time menghasilkan tekstur <200> yang jelas (TC₍200₎ = 1,94). Semua array menunjukkan anisotropi uniaksial yang kuat karena rasio aspek ~2000. Sampel <110> mencapai coercitivitas 1,3 kOe; sampel <200> mencapai 1,4 kOe dengan kekudaransesaran yang sangat tinggi sebesar 0,95. Studi ini menunjukkan bahwa elektrodeposisi potensial pulsed dapat menghasilkan magnet nanowai Fe bebas tanah langka dengan performa magnetik yang unggul.