आजकल ऊर्जा स्रोतों के डिजाइन में सेलुलर फोन, लैपटॉप कंप्यूटर या खानाबदोश सेंसर नेटवर्क की तरह शक्ति पोर्टेबल उपकरणों के लिए सक्षम एक चुनौती है. इन उपकरणों वर्तमान में बैटरी है कि उनकी स्वायत्तता की सीमा और मानवीय हस्तक्षेप और विद्युत ऊर्जा स्रोतों पुनर्भरण की आवश्यकता के साथ संचालित कर रहे हैं. इसके अलावा वे अपने प्रसार के साथ असंगत कचरे को उत्पन्न करते हैं . अगले 10 वर्षों में अर्धचालक के लिए अंतर्राष्ट्रीय प्रौद्योगिकी रोडमैप [1] 0.6 ओर microcircuits के काम की शक्ति के लिए आवश्यक वोल्टेज की कमी के पूर्वानुमान वी. लघु ईंधन कोशिकाओं (एफसी) का उपयोग प्रकट होता है एक आकर्षक एक साथ इलेक्ट्रॉनिक्स पोर्टेबल बिजली स्वच्छ और refillable ऊर्जा स्रोत है. यह एक तीव्र वर्तमान में एफसी अनुसंधान के क्षेत्र में होने वाली गतिविधि समझाने के कारणों में से एक है. एफसी के सभी प्रकार के अलावा केवल दो सच में miniaturization के लिए उपयुक्त हैं. सीमा मुख्य काम कर आवश्यक तापमान 100 डिग्री सेल्सियस से कम हो से आता है उनमें से एक प्रोटॉन विनिमय झिल्ली एफसी (पीईएम) है. एक पीईएम एफसी के एक प्रमुख तत्व झिल्ली कि प्रोटॉनों के लिए उच्च चालकता है और अन्य सभी उपस्थित प्रजातियों (2, एच 2 हे, पानी, किसी भी अन्य ईंधन, आदि) के लिए अभेद्य होना चाहिए है. राज्य के कला लघु एफसी [2-6] आम तौर पर ionomer फिल्मों उपयोग के लिए ऑक्सीजन, पानी, बिजली के वर्तमान और गर्मी की कमी के साथ anode, जहां हाइड्रोजन खपत है से प्रोटॉन कैथोड उत्पादन आचरण. वर्तमान समय में, सबसे अच्छा चालकता (0.08 S.cm -1) Nafion ® perfluorosulfonated झिल्ली द्वारा पहुँचा है. हालांकि उच्च लागत और जलयोजन के दौरान ज्यामितीय अस्थिरता ऐसे पॉलिमर की गंभीर कमी के कुछ ही कर रहे हैं . Nafion ® जैसे ionomeric झिल्ली में प्रोटॉन प्रवाहकीय प्रक्रिया की प्रकृति अभी भी पूरी तरह से समझ नहीं है. वर्तमान सर्वसम्मति [7] जुड़ा हाइड्रोफिलिक पानी के अणुओं युक्त डोमेन सहित हाइड्रोफोबिक श्रृंखला के एक कंकाल के रूप में एक Nafion ® झिल्ली का वर्णन है. चैनलों को जोड़ने के व्यास के बारे में 3 एनएम है. इस कंकाल की कम कठोरता आणविक मुलाकातों के जवाब में जलयोजन के साथ झिल्ली की सूजन के लिए जिम्मेदार है . यहाँ, एक संभावित विघटनकारी प्रौद्योगिकी का प्रदर्शन है कि एक छोटे आकार एफसी में protonic प्रवाहकत्त्व समारोह का एहसास करने के लिए एक नया तरीका की अनुमति देता है. तरीके और सामग्री इस काम में विकसित विचार करने के लिए Nafion की आणविक संरचना का पुन: पेश करने की कोशिश है ® फिल्मों कठिन अकार्बनिक सामग्री का उपयोग. पूरी तरह से माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक प्रक्रियाओं और मानक तकनीक microfabrication एफसी सिलिकॉन substrates पर एकीकृत किया जाएगा के साथ संगत होना करने के लिए. झिल्ली तो झरझरा सिलिकॉन (पी एस) और प्रत्यक्ष pores के सतह अपेक्षित चालकता सुनिश्चित पर प्रोटॉन का आयोजन अणुओं की कलम बांधने का काम किया जाता है. पहले चरण सिलिकॉन (100) उन्मुख सिलिकॉन wafers की KOH में शास्त्रीय photolithography और गीला रासायनिक नक़्क़ाशी का उपयोग झिल्ली की प्राप्ति है . मास्किंग एक sputtered CR-au परत (15 मोटी एनएम के सीआर परत और 800 एनएम मोटी Au परत) के साथ प्राप्त की है. पिछले एक सिलिकॉन वफ़र के थर्मल ऑक्सीकरण झिल्ली के बिजली के इन्सुलेशन सुनिश्चित करता है. memb ranes thickn ईएसएस प्रसंस्करण समय और तापमान समायोजन करके 50 सुक्ष्ममापी के लिए तय हो गई है. कलेक्टिव प्रसंस्करण हमें एक साथ एक 4 "वफ़र पर 69 झिल्ली को प्राप्त करने के लिए अनुमति देता है. सिलिकॉन झिल्ली तो झरझरा बना रहे हैं, एक दूसरे चरण में एक टैंक डबल सेल में anodization से [8] AMMT GmbH द्वारा कल्पना और दो आधे कोशिकाओं जो पं. इलेक्ट्रोड में डूब रहे हैं से मिलकर. सिलिकॉन वफ़र अलग है और दो आधा कोशिकाओं आइसोलेट्स . anodization के लिए इस्तेमाल किया इलेक्ट्रोलाइट समाधान ethanoic HF (शुद्ध इथेनॉल के 50% और 48% HF समाधान के 50%) है. Anodization बाहर अंधेरे में लगातार चालू किया जाता है. साथ फास्फोरस-doped 0.012-0.014 ohm.cm n + प्रकार सिलिकॉन wafers और 18 से 36 mA.cm से एक वर्तमान घनत्व - 2, हम 6 से 10 एनएम व्यास और [9] के बारे में 50% की एक porosity से pores प्राप्त. एक प्राप्त झरझरा सिलिकॉन झिल्ली के पार अनुभाग संख्या 1 पर sketched है.  | चित्रा 1. झरझरा सिलिकॉन झिल्ली के योजनाबद्ध दृश्य पार अनुभाग. सिलिकॉन भूरे रंग में है, झरझरा सिलिकॉन गुलाबी में है. |
Au परत के पिछले बयान anodization दौरान सिलिकॉन झिल्ली पर porosity का स्थानीयकरण की अनुमति देता है. वास्तव में एक सरल LPCVD 3 एस एन 4 मैं परत आम तौर पर स्थानीयकृत पी एस के लिए मास्किंग परत के रूप में इस्तेमाल किया ([10] उदाहरण के लिए देखें) कीमती धातुओं के रूप में एक लंबा odization (Au, पंडित और एक छ) की अनुमति की अनुमति नहीं होगी. टी वह सिलिकॉन ऑक्साइड परत परत सीआर-Au के तहत संभव आंतरिक सिलिकॉन सब्सट्रेट और धातु परत के बीच उत्पन्न वर्तमान के साथ पी एस के किसी भी परजीवी गठन से बचा जाता है [11] एक बार anodization हासिल की है, झिल्ली एक ऑक्सीकरण (स्नान ले Vert decon tamination समाधान में rinsed हैं. Prevor से) HF समाधान निष्क्रिय. फिर कई विआयनीकृत जल स्नान और isopropyl शराब rinsing और है pores में तनाव को कम करने के लिए उपयोग किया जाता है . झिल्ली अंत में परिवेशी वायु में सूख रहे हैं . पुनश्च झिल्ली एक सिलिका सतह परत के साथ प्राप्त कर रहे हैं . इन झरझरा झिल्ली के लक्षण वर्णन FESEM इमेजिंग (फील्ड प्रभाव स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप) और झिल्ली के पार अनुभाग के एक ठेठ दृश्य आंकड़ा 2 में प्रतिनिधित्व द्वारा बनाई गई है.  | चित्रा 2. FESEM एक n + प्रकार झरझरा सिलिकॉन झिल्ली के पार अनुभाग दृश्य. चैनल 10 एनएम के एक औसत व्यास है. |
चालकता माप ने साबित कर दिया [12] और FESEM इमेजिंग, केवल कुछ चैनलों इस anodization प्रक्रिया के साथ पूरी तरह से खोल रहे हैं. दरअसल मोटाई के वफ़र inhomogeneity, कारण जब पहली बार झिल्ली के पीछे की ओर पर खुला चैनल, वर्तमान इन खोला pores के माध्यम से चला जाता है और अब कोई anodization अन्य pores के पर जारी है. इस समस्या को हल करने के लिए, एक छोटी प्रतिक्रियाशील आयन नक़्क़ाशी प्रक्रिया (आर.आई.ई.) एफ एस -6 का उपयोग करने के लिए कार्यरत है और 2 हे के लिए सिलिकॉन गैसों झिल्ली के पीछे की तरफ नक़्क़ाशी क्रम में करने के लिए सुनिश्चित करें कि सभी pores के [12] खोल रहे हैं. इस प्रक्रिया के बारे में 2 और 3 मिनट में मोटी सुक्ष्ममापी etches . जो पूरे वापस पक्ष porosity खोलने के लिए आवश्यक है. चालकता माप के द्वारा एक 3% हाइड्रोक्लोरिक एसिड समाधान इलेक्ट्रोलाइट में खोला है pores के लक्षण वर्णन किया जाता है . Protonic चालकता और एक पिछले एक Nafion pores के साथ भरने से मिलकर समाधान के विपरीत सुनिश्चित ® समाधान [12], एक कलम बांधने का काम विधि यहाँ का वर्णन है जहां pores के आंतरिक सतह silane एसिड कार्यों असर अणुओं के साथ शामिल हैं . इस प्रक्रिया को Nafion ® झिल्ली की संरचना चाहिए नकल और महत्वपूर्ण प्रोटॉन चालकता प्राप्त करने के लिए डिज़ाइन किया गया है. एन [(3-trimethoxysilyl) Trisodium नमक, वाणिज्यिक संयुक्त रासायनिक टेक्नोलॉजीज इंक (UCT) से उपलब्ध है, के रूप में propyl] ethylenediamine triacetic एसिड पहली जांच के लिए चुना गया था . पुनश्च की सतह के रूप में एक ऑक्साइड परत से आच्छादित है, silanization के शास्त्रीय प्रक्रिया सीधे इस्तेमाल किया जा सकता है. पहला कदम पुनश्च की सतह पर silanol कार्यों (सी-OH) बनाने के होते हैं. एक नरम यूवी ओजोन क्लीनर शामिल प्रक्रिया को सफलतापूर्वक लागू किया गया है . इस प्रक्रिया के बिना वांछित कार्यों बनाता ज्यामितीय पिछले एक गीला "पिरान्हा" समाधान (एक 33% हाइड्रोजन पेरोक्साइड के जलीय घोल का 20% के साथ एक शुद्ध सल्फ्यूरिक एसिड के 80% समाधान का मिश्रण) में एक विसर्जन की जरूरत प्रक्रिया के विपरीत संशोधनों जो झिल्ली प्रेरित विरूपणों. silane अणुओं की कलम बांधने का काम तो इथेनॉल में silane एसिड के कमरे के तापमान और परिवेश हवा में 1 घंटा (empirically चालकता माप के साथ निर्धारित समय) के लिए एक 1% समाधान में हाइड्रोफिलिक झरझरा झिल्ली डुबो द्वारा एहसास है. चित्रा 3 प्रक्रिया के एक आणविक अनुकार दिखाता है.  | चित्रा 3. Silane अणुओं की आणविक पैमाने पर देखें एक 6nm व्यास पुनश्च ताकना की तुलना में . एक अणु की सतह पर grafted है. सी (पीला), हे (लाल), एच (सफेद), (ग्रे), सी और एन (नीला) . |
अंत के क्रम में - ना की जगह द्वारा एच अंत grafted समारोह के लिए असली कार्बोक्जिलिक व्यवहार मिलता है, झिल्ली 12 घंटे के लिए सल्फ्यूरिक एसिड की एक 20% समाधान में डूब रहे हैं, तो पूरी तरह से विआयनीकृत जल में rinsed. एफसी विधानसभा पूरा करने के लिए, इलेक्ट्रोड और उत्प्रेरक परतों झिल्ली को जोड़ रहे हैं. ई टेक एक कार्बन का आयोजन प्लैटिनम (पं. वालकैन XC-72 पर 20%) के साथ भरा कपड़े से बना इलेक्ट्रोड एच 2 हे / 2 उत्प्रेरक के रूप में इस्तेमाल किया गया. प्रत्येक पक्ष पर एक 5% Nafion की एक μl 1 ड्रॉप ® -117 समाधान प्रदान करता है, solvant के वाष्पीकरण के बाद, प्रोटॉन का आयोजन इलेक्ट्रोड और झिल्ली के बीच एक कड़ी है. Nafion ® गोंद के रूप में इस्तेमाल किया समाधान की यह राशि बहुत से pores को भरने के लिए छोटा है और झिल्ली में प्रोटॉन चालकता के लिए योगदान नहीं है. के रूप में झिल्ली सीमाओं सीआर Au वर्तमान इकट्ठा परत के साथ कवर कर रहे हैं, यह महत्वपूर्ण है सुनिश्चित करें कि इलेक्ट्रोड और झिल्ली मढ़वाया सीमाओं संपर्क में हैं बनाना. परिणाम और चर्चा चित्रा 4 (ऊपर देखें) से पता चलता है एक ठेठ 8 मिमी × 8 मिमी एफसी 7 मिमी 2 के एक सक्रिय क्षेत्र आंकड़ा पर काले रंग में () के साथ एहसास हुआ . ज्यामितीय मापदंडों अनुकूलित लेकिन विधि की व्यवहार्यता का प्रदर्शन करने के लिए चुना नहीं कर रहे हैं.  | चित्रा 4 एक लघु ईंधन सेल, एक 1 प्रतिशत (0,01 यूरो) सिक्के के साथ पैमाने पर तुलना की शीर्ष दृश्य. |
जब इस तरह के एक उपकरण हाइड्रोजन के साथ एक तरफ और हवा पर दूसरी तरफ एक वोल्टेज सोना चढ़ाया दो पक्षों और एक बिजली के वर्तमान के बीच प्रकट होता है पर तंग आ गया है अगर एक प्रभारी सर्किट बंद कर देता है प्रवाह कर सकते हैं. माप बाहर कमरे के तापमान पर किया जाता है एच 2 खिला. एक 20% NaOH समाधान इलेक्ट्रोलीज़ द्वारा प्रदान की है और जबकि 2 हे सीधे परिवेशी वायु द्वारा प्रदान की गई है . आदेश में झिल्ली के लिए गैस लाने के लिए, एक घर बनाया परीक्षा कक्ष में इस्तेमाल किया गया था जिसमें झिल्ली इलेक्ट्रोड विधानसभा मुहिम शुरू की है . इसके अलावा, यह झिल्ली और गैस exhausts की निकासी के प्रत्येक पक्ष पर बिजली के संपर्कों के माप सक्षम होना चाहिए. परीक्षण सेल विद्युत एक वाल्टमीटर और एक चर प्रतिरोधक लोड के साथ एक ammeter से जुड़ा था एक Nafion साथ माप ® भर पुनश्च झिल्ली पहले [12] की रिपोर्ट में तुलना के लिए grafted झरझरा सिलिकॉन झिल्ली के चतुर्थ विशेषता को जोड़ा गया है.. मा 118 / 2 सेमी की एक वर्तमान घनत्व न्यूनतम प्रभारी और खुले सर्किट वोल्टेज के लिए 470 एम वी (5 आंकड़ा) प्राप्त हुई थी .  | चित्रा 5 grafted पुनश्च ईंधन Nafion के साथ तुलना में सेल (लाल) के प्रदर्शन. ® भरा (नीला). |
इन प्रदर्शनों 6 घंटे के लिए संरक्षित किया गया के रूप में लंबे समय के रूप में विधानसभा 2 एच के साथ आपूर्ति की गई थी. ये पहली माप के बाद एक ही कक्ष भी किया गया है कई बार परीक्षण किया है और एक ही प्रदर्शन तक पहुँच . डिवाइस की उम्र बढ़ने अभी तक नहीं किया गया है मापा गया है . केवल Nafion ® भर झिल्ली grafted झिल्ली हाइड्रोफिलिक pores के विपरीत और Nafion द्वारा नहीं कर रहे हैं पानी से भर ® के माध्यम से गैस के प्रसार के कारण के रूप में खुला सर्किट वोल्टेज की कमी ने साबित कर दिया इलेक्ट्रोड के साथ विधानसभा के लिए इस्तेमाल किया झिल्ली pores. चालकता ईओण प्रजातियों जो अंततः pores के पानी में भंग होगा द्वारा उत्पादित नहीं हैं क्योंकि वर्तमान की तीव्रता कई घंटे के लिए स्थिर है (10 -5 2 सेमी. -1 प्रसार के समय की एक शास्त्रीय प्रसार गुणांक के साथ 50 सुक्ष्ममापी की लंबाई पर आयनों कुछ ही सेकंड के बारे में है ). पूरा करने के लिए के लिए इसी तरह की झिल्ली पर इस विश्लेषण चालकता माप झिल्ली के प्रत्येक पक्ष पर सीधे इलेक्ट्रोड के यांत्रिक आवेदन द्वारा एहसास थे और झिल्ली के आंतरिक चालकता साबित. लेकिन इस विधि के रूप में वर्तमान समय में है विनाशकारी है, यह सेल का निर्माण किया झिल्ली पर नहीं किया जा लागू कर सकते हैं. एक अन्य महत्वपूर्ण बिंदु शुरू वर्तमान और दोनों के रूप में 6 आंकड़ा पर दिखाया विन्यास के लिए स्थिरता की तुलना का सवाल है. देरी हाइड्रोजन जनरेटर (समय = 0 एस) की शुरुआत के बाद से (170 s) मनाया हाइड्रोजन के प्रसार कि anode का उपयोग करना चाहिए कारण है. grafted झिल्ली (<30 एस) की प्रतिक्रिया समय Nafion की प्रतिक्रिया समय की तुलना में कम है ® भरा (300 s). Ionomeric झिल्ली के विपरीत, कोई जलयोजन grafted के लिए प्रोटॉनों को आचरण झिल्ली के लिए आवश्यक है . Grafted झिल्ली (एक ही व्यक्ति पर देखा) के एक और लाभ यह वर्तमान की तीव्रता की स्थिरता है. यह प्रयोगात्मक Nafion ® भरा ईंधन सेल के लिए की तुलना में बेहतर है दिखाया गया है.  | चित्रा 6 वर्तमान समय के एक समारोह grafted पुनश्च ईंधन एक Nafion ® के साथ प्राप्त के साथ तुलना में सेल (लाल) के द्वारा प्राप्त के रूप में - एक (नीला ) भरा.
Date Added: Jul 15, 2005
Last Update: 10. October 2011 14:51
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