الطلاء الكهربائي للأغشية الرقيقة

الطلاء الكهربائي هو عملية تستخدم التيار الكهربائي لتقليل الكاتيونات المعدنية الذائبة على سطح القطب الكهربائي ، وتشكيل طبقة رقيقة. الأغشية الرقيقة هي طبقة من المواد يتراوح سمكها من أقل من نانومتر واحد إلى عدة ميكرومترات. تستخدم هذه الأغشية الرقيقة في مجموعة واسعة من التطبيقات ، بدءا من الخلايا الشمسية إلى مجسات المستشعرات الحيوية ، وتوفر خصائص سطحية معدلة مع الحد الأدنى من التغيير في الحجم. ومع ذلك ، من الضروري أن يكون سمك الفيلم الرقيق متسقا ويمكن التحكم فيه. هناك العديد من تقنيات ترسيب الأغشية الرقيقة المختلفة التي يشيع استخدامها لإيداع الأغشية الرقيقة بشكل متحكم فيه ، ولكل منها مزاياها وعيوبها. في هذا الفيديو ، سوف نقدم تقنية الطلاء الكهربائي ، ونوضح كيفية تكوين غشاء رقيق باستخدام هذه الطريقة في المختبر.

يتم إجراء الطلاء الكهربائي في مجموعة مثل الخلية الجلفانية التي تتكون من معدنين مختلفين ، أنود وكاثود ، متصلان بجسر ملحي أو غشاء مسامي. تحتوي هذه الخلايا الكهروكيميائية على تفاعلات نصف خلية أكسدة واختزال تحدث تلقائيا في كل من الأقطاب الكهربائية المعدنية ، وبالتالي تولد تيارا كهربائيا. يعتمد الطلاء الكهربائي على مفهوم مماثل. ومع ذلك ، فإنه يعكسه عن طريق توفير التيار ، وبالتالي يؤدي إلى تفاعلات الأكسدة والاختزال غير التلقائية. يتكون الأنود من المعدن المراد طلاؤه ويتأكسد ، مما ينتج عنه أيونات مذابة. تتدفق هذه الأيونات عبر المحلول الإلكتروليتي ، الذي يحتوي على أملاح معدنية وأيونات أخرى تسمح بتدفق الكهرباء.

ثم يتم تقليل أيونات المعادن الذائبة وطلاءها على الكاثود. تتطلب عملية الطلاء الكهربائي أن تكون كل من مواد الأنود والكاثود موصلة. وبالتالي ، يتم استخدام المعادن عادة. يتم التحكم في سمك الطلاء عن طريق تغيير مدة وقوة التيار الكهربائي بين الأقطاب الكهربائية. ستؤدي زيادة أي من هذه المعلمات أو كليهما إلى طبقات طلاء أكثر سمكا. الآن بعد أن تعلمت أساسيات الطلاء الكهربائي ، سنوضح هذه التقنية عن طريق طلاء طبقة رقيقة من الصبغة الداكنة ، الأزرق البروسي ، على ورقة من البوليستر مشفرة بأكسيد القصدير الإنديوم ، أو ITO.

للبدء ، قم بإعداد المحلول الأزرق البروسي. الأزرق البروسي هو صبغة تنتجها أكسدة أملاح الحديديين. امزج 50 مل من حمض الهيدروكلوريك المولي 0.05 ، و 100 مل من 0.05 مولار سداسي سيانوفيرات البوتاسيوم (III) ، و 100 مل من 0.05 مولار من سداسي هيدرات كلوريد الحديد (III). الآن ، قم بإنشاء أنود عن طريق لف حوالي ثمانية سنتيمترات من سلك Nichrome في ملف محكم. قم بإعداد الكاثود عن طريق تقطيع البوليستر المطلي ب ITO أولا إلى مربع بحجم خمسة × خمسة سنتيمترات. ثم قم بإزالة الطلاء الخارجي الذي يحمي الجانب الموصل للمادة.

بعد ذلك ، قم ببناء الدائرة عن طريق توصيل الطرف الموجب لبطارية تسعة فولت في سلسلة بمقاوم 30 كيلوأوم. ثم قم بتوصيله بأنود Nichrome باستخدام مشبك التمساح. قم بتوصيل الطرف السالب للبطارية بكاثود ITO باستخدام مشبك التمساح. تأكد من أن الأنود والكاثود لا يتلامسان. الآن ، قم بخفض الكاثود والأنود في المحلول الأزرق البروسي ، مع الحرص على عدم غمر مقاطع التمساح. استمر في الإعداد في المحلول لمدة دقيقة واحدة. ثم قم بإزالة وشطف القطبين في الماء منزوع الأيونات. كرر العملية باستخدام أقطاب ITO جديدة ، كل منها مغمور لأوقات ترسيب مختلفة وجهد البطارية.

سنقوم الآن بتحليل الأغشية المختلفة باستخدام النسبة المئوية لانتقال الضوء المرئي في حدود 750 إلى 400 نانومتر عبر التحليل الطيفي للأشعة فوق البنفسجية وفوق البنفسجية. أولا ، قم بإجراء مسح للخلفية باستخدام ركيزة ITO التي لم يتم تغطيتها باللون الأزرق البروسي. بعد ذلك ، قم بقياس النسبة المئوية لانتقال العينات المطلية باللون الأزرق البروسي ، مع طرح نفاذية الخلفية من ITO الفارغ. قارن الآن النسبة المئوية للنفاذية بين كل عينة. أولا ، دعنا نلقي نظرة على وقت الترسيب الفعلي. تم إيداع هذه العينات لمدة 30 و 60 و 240 ثانية. كانت النسبة المئوية للنفاذية أقل للعينات ذات أوقات الترسيب الأطول ، مما يشير إلى أغشية أكثر سمكا. وبالمثل ، أظهرت الأغشية المودعة بجهد أعلى نفاذية أقل من تلك المودعة بجهد منخفض ، مما يشير إلى تكوين أغشية أكثر سمكا عند الفولتية العالية.

كان للأغشية الرقيقة مجموعة واسعة من التطبيقات في هندسة المواد ومجالات البحث الأخرى. يمكن استخدام تقنية الطلاء الكهربائي لتصميم ميزات المقياس الصغير وسمك مقياس النانو على السطح. هنا ، يقوم الباحثون بتدوير مقاومة الضوء المطلية على ركيزة موصلة. ثم صممت شبكة صغيرة باستخدام قناع منقوش بشبكة باستخدام ضوء الأشعة فوق البنفسجية. ثم تمت إزالة النمط المكشوف بالأشعة فوق البنفسجية باستخدام حل المطور للكشف عن نمط شبكي من الخنادق التي تكشف عن الركيزة الموصلة. ثم تم طلاء النحاس بالكهرباء على السطح مع تشكيل الفيلم المعدني فقط على الأجزاء الموصلة من الركيزة وليس على المقاومة الضوئية المتبقية.

بعد إزالة نمط مقاومة الضوء المتبقي ، بقيت شبكة من المعدن المرتفع ، بسماكة أقل من نانومترين. يمكن أيضا استخدام الطلاء الكهربائي لترسيب طبقات من المواد البيولوجية على السطح ، وبالتالي تحسين التوافق الحيوي لجهاز استشعار أو مسبار. هنا ، تم ترسيب طبقة رقيقة من الشيتوزان كهربائيا على كاثود ذهبي منقوش. الشيتوزان ، وهو عديد السكاريد ، قابل للذوبان تحت درجة الحموضة 6.3 وغير قابل للذوبان فوق درجة الحموضة 6.3. أدى التحليل الكهربائي للماء في الكاثود إلى زيادة محلية في درجة الحموضة ، مما تسبب في انتقال سول هلام للمادة ، مما يجعل الفيلم المودع غير قابل للذوبان. وقد مكن ذلك من استخدامه كسطح متوافق حيويا للتصاق الإنزيم وتطوير مستشعر الجلوكوز.

لقد شاهدت للتو مقدمة JoVE للطلاء الكهربائي للأغشية الرقيقة. يجب أن تفهم الآن كيفية عمل عملية الطلاء الكهربائي ، وكيف يتم إجراؤها في المختبر ، بالإضافة إلى بعض تطبيقات هذه التقنية. شكرا للمشاهدة.