الف – پرداخت وجه بحساب وب سایت ایران ترجمه(شماره حساب)ب- اطلاع جزئیات به ایمیل irantarjomeh@gmail.comشامل: مبلغ پرداختی – شماره فیش / ارجاع و تاریخ پرداخت – مقاله مورد نظر --مقالات آماده سفارش داده شده پس از تایید به ایمیل شما ارسال خواهند شد.
قیمت
قیمت این مقاله: 48000 تومان
(ایران ترجمه - Irantarjomeh)
توضیح
بخش زیادی از این مقاله بصورت رایگان ذیلا قابل مطالعه می باشد.
شماره
۵۰
کد مقاله
CHEM50
مترجم
گروه مترجمین ایران ترجمه – irantarjomeh
نام فارسی
فراریز الکترودها
طراحی, ساخت و خصوصیات
نام انگلیسی
Ultramicroelectrodes: Design, Fabrication, and Characterization
Georgia State University, Chemistry Department, University Plaza, Atlanta, USA
کشور
ایالات متحده
فراریز الکترودها: طراحی، ساخت و خصوصیات
چکیده
فراریز الکترودها (UME ها) از زمان ورود به عرصه شیمی الکتروتجزیهای، در حدود ۲۵ سال پیش، منجر به بروز پیشرفتهای بی نظیری شدهاند. در طی این مدت کوتاه، چندین شکل هندسی از UME گزارش شده است که از میان آنها UME های دیسکی (قرصی)، حلقوی، حلقوی- دیسکی، نیمکرهای، کروی و حکاکی شده (مخروط متناهی) عموما مورد استفاده قرار میگیرند. در این مقاله، روش های طراحی و ساخت هر یک از این موارد توصیف شده اند. مباحث مربوط به رفتار و خصوصیات سطح الکترود UME نیز ارائه میشوند.
فراریز الکترودها (UME ها) از زمان ورود به شیمی الکتروتجزیه ای در حدود ۲۵ سال پیش در علم الکتروشیمی پیشرفت های بی نظیری را ایجاد کرده اند. البته لازم به ذکر است که چند سال پیش از آنکه الکتروشیمیدانان مزایای UME ها را تشخیص دهند، فیزیولوژیستها از آنها به طور عادی استفاده می‌کردند، ورود UME ها به شیمی‌الکتروتجزیه ای اصولاّ از تحقیقات مستقل وایتمن]۲[ و فلیشمن]۳ و ۴[ و همکارانشان در حدود سال ۱۹۸۰ شروع شد. از آن زمان، این ابزارها روش شناسایی الکتروشیمیایی را به قلمرو گسترده جدیدی از فضا (سلول های منفرد، منافذ غشایی)، زمان (حالت پایا، پویش سریع)، محیط شیمیایی (حلال های غیر آبی، الکترولیت های بدون پشتیبان، یخ، هوا) و روش شناسی(سینتیک، بررسی مولکول های منفرد، AFM ، STM ، SECM ) گسترش داده اند و این موارد با توجه به کاربرد آنها، در بسیاری از مقالات مورد توصیف قرار میگیرند ]۱۸-۲[.
UME ها، بر مبنای آنچه از نام آنها بر می‌آید، کوچکتر از الکترودهای «عادی»، هستند و بسته به کاربرد عموما دارای ابعاد متری، سانتی متری یا میلی متری میباشند. این سؤال که کوچکی ابعاد یک الکترود چقدر باشد که به عنوان UME در نظر گرفته میشود مورد بحث قرار گرفته اما حل نشده است]۸ ،۱۴[. با این وجود، عموما پذیرفته میشود که یک UME الکترودی است که از مقیاس لایه نفوذی در آزمایشهای سهل‌الوصول کوچکتر است. بنابراین، یک UME از نظر عملکرد به عنوان الکترودی تعریف میشود که حداقل یک بعد آن، که بعد بحرانی نامیده میشود، از mμ۲۵ کوچکتر است]۱۹[. این بعد بحرانی می‌تواند شعاع یک الکترود دیسکی یا پهنای یک الکترود نواری یا حلقوی باشد. هنگامی‌که بعد بحرانی الکترود با ضخامت لایه دو گانه یا اندازه مولکولها قابل مقایسه میشوند، رفتار تجربی الکترود ظاهرا از انتظارات تئوری، مبتنی بر الکترودهای بزرگتر، فاصله می‌گیرد. این نکته معلوم شده است که چنین رفتاری در الکترودهای دارای بعد بحرانی کوچکتر از nm10 روی می‌دهد]۸ ،۲۰ ،۲۱[ و می‌تواند به عنوان حد پایینی UME در نظر گرفته شود. از الکترودهای دارای ابعاد بحرانی کوچکتر از nm10 تحت عنوان نانودها نام برده میشود]۲۲[.
فراریز الکترودها طراحی، ساخت و خصوصیات
۲- UME های دیسکی
۲-۱٫ کپسول سازی شیشه ای
چندین مقاله قابل توجه با گزارش های مفصل در مورد سیم های نازک درزگیری (قطر مساوی با mμ۱۰ یا بزرگتر از آن) از Pt ، Au یا C در داخل شیشه وجود دارند]۳ ،۱۰ ،۲۷-۲۹[. توصیف زیر ترکیبی از روش های گزارش شده ای است که محققین با تحقیق در آزمایشگاه های خود به آن پی برده اند. اصولا، چنین موردی با طولی از یک سیم (تقریبا cm2) آغاز شده که بسمت داخل لوله مویینه‌ای از جنس شیشه پیرکس با طول cm10 (قطر بیرونی mm2 ، قطر داخلی mm1) هدایت میشود. برای سیم های Au (طلا) از شیشه نرم یا شیشه آهکی قلیایی استفاده میشود. در ابتدا و قبل از ورود سیم نازک، لوله مویینه شیشه ای از یک طرف با استفاده از یک چراغ گاز بونزن یا یک ریز مشعل مسدود میشود. سپس انتهای باز لوله به یک خط خلأ وصل میشود. یک راه برای انجام این کار، پوشاندن انتهای باز لوله مویینه با چندین لایه نوار تفلون است بطوریکه یک واشر تشکیل شود. سپس این انتهای باز به داخل منبع خلأیی وارد میشود که قطر داخلی لوله شیشه ای آن کمی بیشتر از قطر بیرونی لوله مویینه است. هنگامی‌که لوله مویینه داخل لوله شیشه ای بزرگتر قرار می‌گیرد و خلأ اعمال میشود، واشر تفلونی درزگیر خوبی تشکیل می‌دهد. این آرایش، هنگامی‌که در یک مارپیچ حرارتی سیم نیکرومی متمرکز میشود، لوله مویینه را کاملا راست نگه می‌دارد. سیم نیکرومی معمولا بین ۱۸ و ۲۲ مقیاس است و وقتی مارپیچ میشود تقریبا به صورت ۷ حلقه (دور) با قطر داخلی تقریبا mm5 و طول تقریبا cm1 در می‌آید. این مارپیچ نیکرومی، سپس، با یک قطعه سرامیکی محافظت میشود و این قطعه بر روی یک ریز بازوی مکانیکی یا به شیوه دیگر بر روی یک خرک (جک) آزمایشگاهی کوچک قرار داده میشود. هدف از این کار، توانایی حرکت دادن مارپیچ به بالا و پایین در اطراف لوله مویینه است، بطوریکه در مرکز قرار می‌گیرد. مارپیچ نیکرومی با منبع جریان DC یا ولتاژ AC حاصل از ترانسفورماتور (مبدل) واریاک حرارت داده میشود. در هر یک از موارد فوق برای ذوب لوله مویینه ۳۰۰ وات توان لازم است. اگر از واریاک استفاده شود (مثلا A10/V120)، برای رسیدن به توان لازم جهت حرارت دادن مارپیچ نیکرومیG22-18 تا فراهم شدن دمای مناسب برای ذوب شیشه پیرکس، یک ترانسفورماتور کاهنده مرحله ای مورد نیاز خواهد بود. ورودی ترانسفورماتور به واریاک متصل میشود و خروجی واریاک نیزکنترل میشود.
۲-۲٫ سیم های پلاتینی کشیده شده/ کشنده پیپتی
یک روش جایگزین برای ساخت UME های دیسکی شکل با قطر کمتر از mμ۲ شامل ورود سیم‌های فلزی به داخل یک لوله مویینه شیشه ای باز و سپس کشیدن مجموعه فلز/ شیشه با هم و با استفاده از یک کشنده پیپتی میباشد ]۳۶-۳۲[. به علت گرم شدن محلی سریع و تکرارپذیری لوله مویینه شیشه ای همراه با سیم فلزی داخل شده به آن، سیم فلزی همزمان با شیشه کشیده میشود و این امر به کاهش شدید قطر آن و مسدود شدگی شدید همزمان فلز داخل لوله مویینه شیشه ای منجر میشود. در تحقیقات اولیه، سیم پلاتینی آنیل شده (بازپخت شده) با قطر mμ۵۰ داخل لوله های مویینه پیرکس شده و مجموعه فلز / شیشه با هم کشیده می‌گردد. ابتدا یک کشنده پیپتی با پارامترهایی که اندازه و شکل نهایی لوله مویینه شیشه‌ای را بعد از مرحله کشیدگی کنترل میکند، ساخته میشود. این پارامترها شامل دمای حرارت دهی به شیشه و قدرت کشیدگی میباشند.
۲-۳٫ UME های ریز دانه طلایی
ریز دانه های طلایی ]۴۳[ با قطر ۵/۱ تا mμ۰/۳ برای ساخت ریز الکترودهای ارزان قیمت و قابل عرضه با قطر الکترود mμ۵ ≥ مورد استفاده قرار گرفته اند. برای کشیدن لوله های مویینه پیرکس (دارای یک رشته شیشه ای داخلی) تا دهانه سر mμ۲ از یک کشنده ریز پیپتی استفاده میشود. از آنجا که کشنده پیپتی از یک مجموعه ای طراحی شده قبلی برای مراحل حرارت دادن، کشیدن و طویل شدگی استفاده میکند، لوله های مویینه کشیده شده ای که از نظر شکل و بعد دهانه بسیار یکنواخت هستند، حاصل میشوند. حضور رشته شیشه ای در لوله مویینه به پر شدن لوله مویینه کشیده شده با دانه های طلایی، که به صورت سوسپانسیون به داخل انتهای نوک تیز نشده لوله مویینه کشیده شده تزریق میشوند، کمک میکند.
۲-۴٫ ساخت بر اساس رسوبگذاری بخار شیمیایی
UME های رشته کربنی و دیسک فلزی به وسیله تکنیک های رسوبگذاری بخار شیمیایی (CVD) نیز ساخته شده اند]۴۶-۴۴[ تا طول استوانه ای رشته کربنی یا سیم فلزی را با فیلم نازکی از سیلیکا بپوشاند. تشکیل فیلم با رسوب گذاری سیلیکا از پیش ماده فاز گازی SiCl4 ، ۲H و ۲O یا با رسوبگذاری متوالی از ۴(OEt)Si (سیلیسیوم تترا اتوکسید) به عنوان یک پیش ماده مرجع منفرد حاصل از سیستم پیش ماده SiCl4، ۲H و ۲O صورت می‌گیرد. این نکته معلوم شده است که روش اخیر چسبندگی فیلم سیلیکا به رشته کربنی یا سیم فلزی را بهبود می‌بخشد، در حالی که برای بدست آوردن فیلمهای سیلیکای نازک تر و محکم تر، SiCl4 پیش ماده بهتری است. رسوبگذاری سیلیکا مستقیما بر روی رشته کربنی یا سیم فلزی مقاوم شده در اثر حرارت انجام میشود. در نزدیکی انتهای رشته یا فلز یک شیب دمایی وجود دارد که به سرعت های رسوبگذاری متغیری منجر میشود و در نتیجه، یک فیلم سیلیکای یکنواخت و هم مرکز حاصل میشود که به تدریج باریک شده تا به سوبسترای فلزی یا رشته کربنی لخت منتهی شود.
فراریز الکترودها طراحی، ساخت و خصوصیات
۳- UME های نیمکره ای و کره ای
۳-۱٫ UME های نیمکره ای
UME های نیمکره ای عموما با استفاده از جیوه ساخته میشوند]۵۰-۴۷[. اکثر یونهای جیوه مطابق واکنش زیر در سطح یک UME کربنی یا فلزی دیسکی شکل احیا یا کاهیده میشوند:
۳-۲٫ UME های کروی
UME های کروی با قطرهای ۱ الی mμ۳۰ به وسیله خود سامان دهی نانو ذرات طلا و مولکولهای ۱ و ۹- نونان‌دی‌تیول در سر لوله های مویینه شیشه ای که با یک کشنده ریز پیپتی لیزری کشیده شده اند، ساخته شده اند]۵۱[. این تکنیک بر اساس تحقیق قبلی شامل ذرات Au (طلا) با اندازه نانو متر میباشد که معلوم شده چنین ذراتی می‌توانند با استفاده از عوامل پیوند عرضی ساز دی تیول به صورت الکترونیکی با مواد توده ای یا حجیم رسانا ]۵۲[ و فیلم های نازک چند لایه‌ای ]۵۳[ خود سامان دهی یا خود ساخته شوند. برای تهیه UME های کروی، عامل پیوندساز دی تیول به مجرای سر لوله مویینه کشیده شده ای که داخل آن در ابتدا با یک پوشش کربنی رسانا پوشانده شده، محدود میشود. سپس این مجموعه در محلولی از ذرات Au فرو برده میشود و ذرات Au با پیوند دهنده دی تیول فقط در انتهای نوک یا سر لوله مویینه برخورد میکند. مشاهده میشود که یک کره صیقلی نرم در انتهای سر لوله مویینه تشکیل میشود. این نکته معلوم شده است که شکل هندسی کروی حاصله به طور کامل کنترل میشود و تکرارپذیر است. علاوه بر این، مشخص شده است که این الکترودها خواص الکترو شیمیایی Au فلزی را دارند و هم در محلول های آبی و هم در محلول های الکترولیت استونیتریل، رفتار ریز الکترود ایده‌آل را از خود نشان می‌دهند.
فراریز الکترودها طراحی، ساخت و خصوصیات
۴- UME های حلقوی نشان دار
اولین الکترودهای حلقوی با به کار بردن یک رسانا در دیوارهای یک پایه استوانه ای عایق دار ساخته شده اند ]۵۷-۵۴[. این پایه عایق دار غالباّ یک میله شیشه ای یا در حلقه های با قطر کمتر، یک میله شیشه ای جمع شده با شعله میباشد. در حلقه های فلزی، پایه عایق دار یا با ترکیبات آلی فلزی رنگ میشود یا به وسیله رسوبگذاری بخار یا بیرون افکنی فلز بر روی میله شیشه ای چرخان پوشانده میشود. روش رسوبگذاری بخار، یک پوشش یکنواخت‌تر فلزی را تأمین میکند و امکان ساخت حلقه های با ضخامت در محدوده nm10 تا µm5 را فراهم میکند. هر دو حلقه Pt و Au به وسیله یکی از این روش ها تهیه شده اند. سپس، پایه پوشیده شده به وسیله مسدود شدن لوله شیشه ای بزرگتر با رزین اپوکسی یا فروریختگی شیشه اطراف میله، از محلول جدا میشود. این ساختار در مرحله بعدی قطعه قطعه شده و صیقلی میشود تا در مجاورت حلقه نشان دار قرار گیرد.
فراریز الکترودها طراحی، ساخت و خصوصیات
۵- UME های حلقوی- دیسکی
دو گزارش جداگانه در مورد ساخت UME های حلقوی- دیسکی وجود دارد. اولی مبتنی بر UME دیسکی کربنی است که در بخش ۴-۲ توصیف گردیده است و در آن یک رشته کربنی با قطر mμ۱۰ به وسیله تکنیک CVD-RH از فیلم سیلیکا جدا میشود. هنگامی‌که سیلیکا با ضخامت مطلوبی رسوب میکند، واکنشگاه (رآکتور) CVD با Ar پاکسازی میشود و یک لایه کربن پیرولیتی از استون رسوب میکند. فرآیند پوشش سیلیکا آنقدر تکرار میشود تا لایه حلقوی کربنی تازه رسوب کرده، جداسازی (عایق) شود. سپس، UME حلقوی- دیسکی با بریدن انتهای رشته پوشش‌دار در محلی که قطر خارجی مطلوب را برای سر تجزیه ای و پوشش شده فراهم میکند، تهیه میشود. سرهای الکترودی با قطری به کوچکی mμ۳۰-۲۵ ساخته شده اند]۷۵[.
فراریز الکترودها طراحی، ساخت و خصوصیات
۶- UME های مخروطی متناهی (حکاکی شده)
حکاکی الکتروشیمیایی سیم های فلزی برای ساخت الکترودهایی در محدوده ۱۰ نانومتر تا چندین میکرومتر از سال ۱۹۷۸ مورد استفاده قرار گرفته است ]۲۲ ،۲۹ ،۸۵-۷۷[. روش حکاکی الکتروشیمیایی معمولا شامل حل کردن آندی یک فلز در اثر اعمال ولتاژ AC میباشد. چندین حمام محلول حکاکی مورد استفاده قرار گرفته است. حمام های حکاکی برای حکاکی ریز سیم های Pt ، Ir یا Pt-Ir از۲CaCl اشباع، O2H و HCl غلیظ ]۲۹ ،۸۰ ،۸۱ ،۸۴[ یا ۲NaNO غلیظ ]۸۲ ، ۸۳[ یا NaCN و NaOH]79 و ۷۸[ تشکیل شده اند. محلول حکاکی برای حکاکی ریز سیم های Au و Ag از NaCN و NaOH تشکیل شده است در حالیکه برای حکاکی سیم تنگستنی (W) از محلول NaOH اشباع استفاده میشود]۲۹[. بین ریز سیم و مارپیچ Pt که در آن ریز سیم جهت تأمین حکاکی متقارن در مرکز قرار گرفته است، یک ولتاژ متناوب اعمال میشود. برای ایجاد یک سر بسیار تیز ترفندهایی وجود دارد که به جریان حکاکی (که تابعی از مساحت ریز سیم غوطه ور شده و ولتاژ اعمال شده میباشد) و همچنین طول زمان مجاز حکاکی بستگی دارد. علاوه بر این، حکاکی تکراری در یک محلول، محلول را ضعیف میکند. به طوری که این پدیده مشاهده شده است که بهترین سرها با استفاده از محلولهای تازه تهیه شده، ایجاد می شوند. این نکته نیز معلوم شده است که محلول های حکاکی، هنگامی‌که در یک دوره زمانی طولانی نگهداری میشوند، بی اثر میگردند.
۷- UME های ریز ساخته شده
در تلاش برای ساخت تکرارپذیر سرهای بسیار کوچکی که شکل هندسی کامل دارند، از تکنولوژی ریز ساخت برای ساخت UME استفاده شده است]۹۸،۱۰۱،۱۰۲[. UMEهای مخروطی متناهی از طریق حکاکی چند سویی (آنیزوتروپی) سیلیسیوم و سپس رسوبگذاری لایه نازک دی اکسید سیلیسیوم، پلاتین و نیترید سیلیسیوم، به صورت ریز ساخت، تهیه شده است. مقاومت نوری بگونهای بکار برده میشود که قسمت بالای سرها از لایه مقاومت نوری خارج میشود. سپس، لایه نیترید سیلیسیوم از ناحیه سر فقط بوسیله حکاکی پلاسما حذف میشود و یک مخروط متناهی پلاتینی بجا میماند که شعاع قاعده آن μm25/1 و ارتفاع آن μm2 میباشد.]۱۰۲[.
۸- فرآوری سطح الکترود UME
روشهای متداول تمیز کردن سطح الکترودها برای بدستآوردن پاسخهای الکتروشیمیایی پایدار معمولاً شامل صیقلسازی فیزیکی سطح الکترود با ذرات آلومینا یا خمیر الماس میباشند. ثابت شده که صیقلسازی UMEهای با قطر ساختاری کل کمتر از μm1، متفاوت میباشند اما غالباً سرهای الکترودی شکسته ایجاد میکنند. بویژه در مورد الکترودهای زیر میکرومتر، به نظر میرسد که الکترودها به محض اینکه رفتار غیرعادی از خود نشان دهند، با الکترودهای جدیدتر تعویض میشوند. در این وضعیت، ظاهراً هیچ راه حل سادهای برای این مشکل وجود ندارد.
۹- خصوصیات UME
UME ها عموماً به محض ساخته شدن بوسیله میکروسکوپی پویشی الکترون (SEM)، ولتامتری حالت پایا (SSV) و اخیراً بوسیله میکروسکوپی پویشی الکتروشیمیایی(SECM) شناسایی میشوند. در ریز نگارهای SEM، ابتدا یک مسدود شدگی خوب بین فلز یا رشته و ماده عایق در انتهای سر، دنبال میشود. گاهی اوقات ممکن است تخمینی از شعاع الکترود و نیز شعاع ماده عایق به عمل آید. در تصاویر جنبی می‌توان مشخص نمود که آیا فلز یا رشته در صفحه ماده عایق است یا در داخل ماده عایق فرو رفته است و یا از ماده عایق حالت برآمدگی پیدا کرده است. تصاویر نیمرخ نیز اطلاعاتی راجع به کامل بودن محیط عایق فراهم میکنند (مثلاً نرم بودن سطح یا عدم وجود سوراخهای ریز یا ترکها)]۲۹،۳۴،۳۶،۶۹،۸۲،۸۴[.
فراریز الکترودها طراحی، ساخت و خصوصیات
۱۰- نگرش آینده
بهره برداری از UME ها به وی‍ژه نانو الکترودها ادامه خواهد یافت، چرا که تکنیک های میله های (ردیاب) پویشی با توجه به کاربرد و کاوش واسطه‌های جدید (مثلا گاز/ مایع ، تک لایهها) گسترش بیشتری یافته و به صورت هماهنگ با هم (مثلا SECM/AFM ، SECM/OM، SECM/NSOM) انجام می شوند و به طور فزاینده ای در محیطهای کوچکتر(مثلا سلولها، منافذ، مکانهای الکترودی با فعالیت میکروسکوپی) بررسی میگردند. بنابراین، روال پیشرفت در ساخت UME به سمت UME های بزرگ و / یا UME های یکبار مصرف در اندازههای نانو و آنگستروم همچنان ادامه خواهد یافت. علاوه بر این، احتمالا به شکلهای هندسی UME توجه بیشتری خواهد شد و این توجه شامل UME های دیسکی فرورفته ]۱۱۹-۱۱۷[ و UME های نانو لوله کربنی ]۱۲۰[ نیز میباشد. توجه مداوم به کنترل بیشتر شکل هندسی الکترود و افزایش تکرارپذیری در فرآیند ساخت، توسعه تکنیکهای ریز ساخت جدید در ساخت UME های منحصر به فرد را سبب خواهد شد. توسعه روشهای جدید عایقسازی و تعیین خصوصیات UME نیز ادامه خواهد یافت. تئوری جدیدی که رفتار UME های کوچکتر از nm10 را توصیف میکند، گام به گام به تکنیکهای ساخت و کاربردهای جدید UME نیاز خواهد داشت.
لطفا به جای کپی مقالات با خرید آنها به قیمتی بسیار متناسب مشخص شده ما را در ارانه هر چه بیشتر مقالات و مضامین ترجمه شده علمی و بهبود محتویات سایت ایران ترجمه یاری دهید.
