Effect of HSMF on Electrodeposited Ni-FeMembrane-- Crystal Morphology andMagnetism Performance
Yunbo Zhong, Yanling Wen, ZhongmingRen, Kang Deng, Kuangdi Xu
Shanghai Key Laboratory of Modern Metallurgy &Material Processing, Shanghai University
2nd Sino-German Workshop on EPM, October, 16-19, 2005, Dresden, Germany
Outline
Motivation;
Experimental Apparatus;
Results and Discussion;
Conclusion and Outlook;
Acknowledgement;
Influence on electrontransfer kinetics ?
Influence on mass transport
MHD effect 
Influence on SurfaceDiffusionNecleationCrystal Growth?
1.Motivation
Electro-Crystallization in HSMF
H2O
Me2+
Metal
Membrane
E0
Charge
Transfer
Surface
Diffusion
Nucleation
Crystal
Growth
Bulk
 Solution
Boundary
Layer
Variation of Free Energy in the processof Electro-deposition of NiFe membrane
The χ data is very lacking, and the magnetism of ionsin solution are not very clear
Ni2+ Paramagnetism ;
Fe2+ Diamagnetism;
Ni atom: Paramagnetism;
Fe atom: Paramagnetism;
Ni Crystal: Ferromagnetism;
Fe Crystal: Ferromagnetism;
PID Temperature
Controller
横虚线
B
I
BI
横虚线
B
I
B//I
Magnetic
 Field Center
横虚线
Nitrogen
Thermocouple
Water-cooling Pipe
Supercon-ductive Coil
Heater
Electrolyte
Heat Insulator
Quartz Pipe
Electrode
B
+
-
Fix Block
2.Experimental Equipment
NickelPlate
CopperFoil
Distribution of MFD in High StaticMagnetic Field
Homogeneous MF
Upper Gradient MF
Lower Gradient MF
Effect of HSMF on electrodepositedNi-Fe membrane When IB
横虚线
B
I
Magnetic FieldCenter
Ni2+: 1.2mol/l;
Fe2+: 0.07mol/l
pH=3.5;
J=4.0A/dm2
3.Results and Discussion
n0-5000
Surface SEM pictures of NiFe membrane
electrodeposited in various magnetic fields(J=4A/dm2)
0T
n4-5000
4T
n6-5000
6T
n8-5000
8T
n10-5000
10T
n12-5000
12T
Across-section SEM pictures of NiFe membrane
electrodeposited in various magnetic fields(J=4A/dm2)
(        -electrodeposit growth direction )
m0-5000
m4-5000
0T
4T
m6-5000
6T
m8-5000
8T
n10-5000
m12
12T
10T
B
XRD patterns of the NiFe membranes
electrodeposited in different magnetic flux density
Intensity ratio of threemain peaks:I(111):I(200):I(220)=
(  0T)100:54.3:4.3;(04T)100:24.7:6.2;(06T)100:26.9:6.4;(08T)100:28.8:7.1;(10T)100:28.2:8.4;(12T)100:19.1:6.6
(111)
(200)
(220)
(111)
(200)
(220)
M       Crystal orientation coefficient
I(hkl)  Measured value of the (hkl) plane diffraction peaks
I0(hkl) Standard value of the (hkl) plane diffraction
               peaks in PDF card
Crystal Orientation Discussion
Effect of MFD on Crystal Orientation Coefficient
n6
n10
n12
EDS analysis of the samples electrodeposited in different magnetic fields
(Fe wt%=  0T-12.71%; 6T-14.99%; 10T-23.32%; 12T-26.10%.)
0T
6T
10T
12T
The relation between saturation magnetization
of the samples and preparation magnetic flux density
Effect of magnetic field on electrodepositedNi-Fe membrane When B//I
横虚线
B
I
B//I
Magnetic FieldCenter
e0-5000
e4-5000
e6-5000
e8-5000
e10-5000
e12-5000
SEM pictures of the surface of NiFe membrane
electrodeposited in parallel magnetic fields(J=4A/dm2)
0T
4T
6T
8T
10T
12T
e6
6T
e0
0T
SEM pictures of the across-section of NiFe membraneelectrodeposited in parallel magnetic fields (J=4A/dm2)
e10
10T
e12
12T
e8
e4
4T
8T
B
J
XRD patterns of the NiFe membranes
 electrodeposited in different static magnetic fields
Graph11
(Strength ratio of three main peaks I(111):I(200):I(220)=
(0T)100:41.1:4.5; (6T)100:25.8:6.6;  (10T)100:27.2:7.6;  (12T)100:26.1:7.4)
Analysis of crystal orientation coefficient  of the samples
e0
e6
e10
e12
EDS analysis of the samples
electrodeposited in different magnetic fields
(Fe wt%=  0T-14.13%; 6T-14.12%; 10T-15.17%; 12T-14.47%.)
0T
6T
10T
12T
The relation between saturation magnetization intensity
of the samples and preparation magnetic field
Effect of magnetic field on electrodeposited Ni-Fe membrane When B//I Without BubbleAgitation and at Room Temperature
横虚线
B
I
B//I
Magnetic FieldCenter
C0-5
C10-2
C0-2
C10-4
C10-5
0T
10T
Electro-depostion of NiFe Membrane inGradient Magnetic Field (B//I)
sp-2
p10-2
xp-2
+400T2/m
0
-400T2/m
J=0.3A/cm2
Room Temperature, No Agitation
sp-1
p10-1
xp-1
 Magnetic FieldGradient
Element
Wt %
At%
+400T2/m
FeK
38.37
39.56
NiK
61.63
60.44
0T2/m
FeK
22.84
23.73
NiK
77.16
76.27
+400T2/m
FeK
29.39
30.44
NiK
70.61
69.56
(a) 0T
(b) B1(B1≠0T)
B2(B2≥10T)
窄竖线
Hydration Ions
Metal atom
Metal Crystal
Sphere Crystal nucleus
FL
I
B
FE
窄竖线
窄竖线
窄竖线
窄竖线
窄竖线
窄竖线
窄竖线
窄竖线
窄竖线
Outer Helmholtz area
Bulk solution
Trajectory of Ions
Boundary Layer
Trajectory of Ions
Sketch Map of Nucleation and Crystal Growth when BI
In Homogeneous Magnetic Field
Discussion
Initial velocity (v0)
Bubble
Direction of
electric field (I)
Direction of magnetic field (B)
Cathode
Anode
Sketch Map of Nucleation and and Crystal Growth when B//I
In Homogeneous Magnetic Field
Magnetic field
Migration of atoms inHorizontal direction
横虚线
B
I
B//I
B
J
Sketch Map of Nucleation and and Crystal Growthwhen B//I and in Gradient Magnetic Field
sp-2
Room Temperature, No Agitation
Interpret for the Composition-Change ofElectrodeposited Ni-Fe Membrane in HSMF
横虚线
B
I
B//I
BdB/dz
Fe2+ Rich
Fe2+ Rich
Stable area
横虚线
B
I
I
BJ
Agitation
Homo. MF
B//J
Agitation
Homo. MF
B//J
No Agitation
Gradient MF
z
4.Elementary Conclusions
In HSMF, Strengthened MHD effect can influence the crystalmorphology of electrodeposited NiFe membrane remarkably,so do the mass transfer process;
Both perpendicular and parallel magnetic field can make thecrystal (111) plane orientation reinforced;
The ion concentration in electrolyte would be changed due todifferent magnetism property of ions in gradient HSMF,which would effect the composition of deposit;
The superimposition of HSMF would affect the nucleation ofelectro-crystallization process;
The saturation magnetization of Ni-Fe membrane wasdetermined mainly by the concentration of iron.
Outlook
There are lot of questions need to be made clear:
Will HSMF change the electron transfer process?
Simulation on the nucleation of crystal when electro-deposition in HSMF;
The magnetic susceptibility (x) Value of  ions in electrolyte;
Can we control the structure even the property of membrane?
 …………
To answer those questions, maybe we can collaboration withGermany Part and Chinese Part!
5.Acknowledgement
This work was financial supported by ShanghaiScientific Technological Committee (Key Project No.03JC14029);
Thankful to Sino-German Center for ResearchPromotion to Support this Workshop;
Thankful to Dr. Gerbeth for well organization!
Effect of magnetic field on electrodepositedNi-Fe membrane When IB
横虚线
B
I
Magnetic FieldCenter
Ni2+: 1.2mol/l;
Fe2+: 0.07mol/l
pH=3.5;
J=4.0A/dm2
b1-5000
b2-5000
e0-5000
b6-5000
SEM pictures of the surface of NiFe membrane electrodepositedwithout magnetic field
(J= a-1A/dm2; b-2A/dm2; c-3A/dm2; d-4A/dm2; e-6A/dm2)
a
b
b3-5000
c
d
e
b1
a
b2
b
e0
c
b5
d
e
FSEM pictures of the across-section of NiFe membrane
electrodeposited without magnetic field
(J= a-1A/dm2; b-2A/dm2; c-4A/dm2; d-5A/dm2; e-6A/dm2)
a1-5000
a2-5000
a3-5000
e10-5000
a5-5000
a6-5000
Fig.17-a SEM pictures of the surface of NiFe membrane
electrodeposited in 10T static magnetic field
(J= a-1A/dm2; b-2A/dm2; c-3A/dm2; d-4A/dm2; e-5A/dm2; f-6A/dm2)
a
b
c
d
e
f
a2
a
a3
b
e10
c
a6
d
SEM pictures of the across-section of NiFe membrane
electrodeposited in 10T static magnetic field
(J= a-2A/dm2; b-3A/dm2; c-4A/dm2; d-6A/dm2)