Published February 1, 1999 | Version v1
Publication Open

Buoyancy and electrically driven convection models in thin-layer electrodeposition

  • 1. Fundación Ciencias Exactas y Naturales
  • 2. University of Buenos Aires

Description

Recent work demonstrates the inevitable role of convection during the growth of patterns in thin-layer electrochemical deposition. Convection is driven mainly by Coulombic forces due to local charges and by buoyant forces due to concentration gradients that lead to density gradients. Here we study by theoretical and numerical modeling the limiting regimes under which electroconvection or gravitoconvection prevail. The model describes the diffusive, migratory, and convective motion of ions in a fluid subject to an electric field. The equations are written in terms of dimensionless quantities, in particular, the gravity Grashof and the electrical Grashof numbers. The simulations reveal that gravitoconvection becomes increasingly important as the gravity Grashof number increases, while electroconvection becomes increasingly important as the electrical Grashof number increases. For both regimes the model predicts concentration, electric potential, and velocity patterns that are in qualitative agreement with typical electrodeposition experiments. In gravitoconvection, the model predicts the evolution, before collision, of the convection rolls near each electrode growing first as ${t}^{4/5}$ and then slowing down to ${t}^{1/2};$ the same scaling behavior was observed in experiments. After collision, the cathodic and anodic rolls merge into a single roll. In electroconvection, the model predicts the existence of vortex pairs formed by the electrical force on space charge accumulating near the growing filament tip. Such vortex rolls and pairs have been observed in experiments.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

توضح الأعمال الحديثة الدور الحتمي للحمل الحراري أثناء نمو الأنماط في الترسيب الكهروكيميائي للطبقة الرقيقة. يتم تشغيل الحمل الحراري بشكل أساسي بواسطة قوى كولومبية بسبب الشحنات المحلية وقوى الطفو بسبب تدرجات التركيز التي تؤدي إلى تدرجات الكثافة. ندرس هنا من خلال النمذجة النظرية والعددية الأنظمة المحددة التي يسود في ظلها الحمل الكهربائي أو الحمل الثقالي. يصف النموذج الحركة المنتشرة والمهاجرة والحملية للأيونات في مائع خاضع لحقل كهربائي. تكتب المعادلات من حيث الكميات غير البعدية، ولا سيما الجاذبية Grashof وأرقام Grashof الكهربائية. تكشف المحاكاة أن الحمل الثقالي يصبح ذا أهمية متزايدة مع زيادة عدد الجاذبية Grashof، بينما يصبح الحمل الكهربائي ذا أهمية متزايدة مع زيادة عدد Grashof الكهربائي. بالنسبة لكلا النظامين، يتنبأ النموذج بأنماط التركيز والجهد الكهربائي والسرعة التي تتوافق نوعيًا مع تجارب الترسيب الكهربائي النموذجية. في الحمل الثقالي، يتنبأ النموذج بتطور لفات الحمل الحراري، قبل الاصطدام، بالقرب من كل قطب ينمو أولاً كـ ${t}^{ 4/5 }$ ثم يتباطأ إلى ${t}^{ 1/2 }؛$ لوحظ نفس سلوك القياس في التجارب. بعد الاصطدام، تندمج اللفات الكاثودية والأنودية في لفة واحدة. في الحمل الكهربائي، يتنبأ النموذج بوجود أزواج دوامية تتشكل بواسطة القوة الكهربائية على شحنة الفضاء المتراكمة بالقرب من طرف الفتيل المتنامي. وقد لوحظت مثل هذه اللفات الدوامية والأزواج في التجارب.

Translated Description (French)

Des travaux récents démontrent le rôle inévitable de la convection lors de la croissance des motifs dans le dépôt électrochimique en couche mince. La convection est principalement entraînée par des forces coulombiennes dues à des charges locales et par des forces flottantes dues à des gradients de concentration qui conduisent à des gradients de densité. Nous étudions ici par modélisation théorique et numérique les régimes limites sous lesquels prévalent l'électroconvection ou la gravitoconvection. Le modèle décrit le mouvement diffusif, migratoire et convectif des ions dans un fluide soumis à un champ électrique. Les équations sont écrites en termes de quantités sans dimension, en particulier, la gravité Grashof et les nombres électriques de Grashof. Les simulations révèlent que la gravitoconvection devient de plus en plus importante à mesure que le nombre de Grashof gravitationnel augmente, tandis que l'électroconvection devient de plus en plus importante à mesure que le nombre de Grashof électrique augmente. Pour les deux régimes, le modèle prédit la concentration, le potentiel électrique et les modèles de vitesse qui sont en accord qualitatif avec les expériences typiques d'électrodéposition. En gravitoconvection, le modèle prédit l'évolution, avant la collision, des rouleaux de convection près de chaque électrode croissant d'abord comme ${t}^{4/5}$ puis ralentissant jusqu'à ${t}^{1/2} ;$ le même comportement d'échelle a été observé dans les expériences. Après la collision, les rouleaux cathodique et anodique fusionnent en un seul rouleau. En électroconvection, le modèle prédit l'existence de paires de vortex formées par la force électrique sur la charge d'espace s'accumulant près de la pointe du filament en croissance. De tels rouleaux et paires de tourbillons ont été observés dans des expériences.

Translated Description (Spanish)

Trabajos recientes demuestran el papel inevitable de la convección durante el crecimiento de patrones en la deposición electroquímica de capa delgada. La convección es impulsada principalmente por fuerzas culómbicas debido a cargas locales y por fuerzas flotantes debido a gradientes de concentración que conducen a gradientes de densidad. Aquí estudiamos mediante modelos teóricos y numéricos los regímenes limitantes bajo los cuales prevalecen la electroconvección o la gravitoconvección. El modelo describe el movimiento difusivo, migratorio y convectivo de los iones en un fluido sujeto a un campo eléctrico. Las ecuaciones se escriben en términos de cantidades adimensionales, en particular, la gravedad de Grashof y los números eléctricos de Grashof. Las simulaciones revelan que la gravitoconvección se vuelve cada vez más importante a medida que aumenta el número de Grashof de gravedad, mientras que la electroconvección se vuelve cada vez más importante a medida que aumenta el número de Grashof eléctrico. Para ambos regímenes, el modelo predice patrones de concentración, potencial eléctrico y velocidad que están en acuerdo cualitativo con los experimentos típicos de electrodeposición. En la gravitoconvección, el modelo predice la evolución, antes de la colisión, de los rollos de convección cerca de cada electrodo que crecen primero como ${t} ^{4/5}$ y luego disminuyen a ${t}^{1/2};$ se observó el mismo comportamiento de escala en los experimentos. Después de la colisión, los rodillos catódico y anódico se fusionan en un solo rodillo. En la electroconvección, el modelo predice la existencia de pares de vórtices formados por la fuerza eléctrica sobre la carga espacial que se acumula cerca de la punta del filamento en crecimiento. Dichos rodillos y pares de vórtices se han observado en experimentos.

Files

paper_1063651X_v59_n2_p2157_Marshall.pdf.pdf

Files (387.8 kB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:4d9012754ee3db70b804737a5164313f
387.8 kB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
نماذج الطفو والحمل الحراري المدفوع كهربائياً في الترسيب الكهربائي للطبقة الرقيقة
Translated title (French)
Modèles de flottabilité et de convection entraînés électriquement en électrodéposition en couche mince
Translated title (Spanish)
Modelos de flotabilidad y convección accionados eléctricamente en electrodeposición de capa fina

Identifiers

Other
https://openalex.org/W2129400899
DOI
10.1103/physreve.59.2157

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Argentina

References

  • https://openalex.org/W1963648106
  • https://openalex.org/W1964713157
  • https://openalex.org/W1969728660
  • https://openalex.org/W1972048162
  • https://openalex.org/W1973975305
  • https://openalex.org/W1976221331
  • https://openalex.org/W1977795656
  • https://openalex.org/W1981896728
  • https://openalex.org/W1984608215
  • https://openalex.org/W1989157562
  • https://openalex.org/W1992766128
  • https://openalex.org/W1998799967
  • https://openalex.org/W2004301796
  • https://openalex.org/W2012460403
  • https://openalex.org/W2021865641
  • https://openalex.org/W2027220157
  • https://openalex.org/W2078857978
  • https://openalex.org/W2083120046
  • https://openalex.org/W2085398483
  • https://openalex.org/W2094171360
  • https://openalex.org/W2144182308
  • https://openalex.org/W2147430945
  • https://openalex.org/W2800860906
  • https://openalex.org/W3046140350
  • https://openalex.org/W4206675572
  • https://openalex.org/W4242418012