薄膜电镀

Materials Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering collection to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Overview

资料来源:洛根·基弗、安德鲁·法尔科夫斯基和泰勒·斯帕克斯,犹他大学材料科学与工程系,盐湖城,犹他州

电镀是一种利用电流来减少溶解金属阳离子,使其在电极上形成薄涂层的过程。其他薄膜沉积技术包括化学气相沉积 (CVD)、自旋涂层、浸渍涂层和溅射沉积等。CVD使用要沉积的元素的气相前体。旋转涂层将液体前体向心传播。浸渍涂层类似于旋转涂层,但基板完全浸入其中,而不是旋转液体前体。溅射使用等离子体从目标中去除所需材料,然后对基板板板。CVD 或溅射等技术可生产非常高质量的薄膜,但制作速度很慢且成本很高,因为这些技术通常需要真空大气和小样本尺寸。电镀不依赖于真空大气,这大大降低了成本,提高了可扩展性。此外,电镀可以达到相对较高的沉积率。

Cite this Video

JoVE Science Education Database. 材料工程. 薄膜电镀. JoVE, Cambridge, MA, (2020).

Principles

电镀电池由两种不同的金属组成,由盐桥或多孔膜连接。 这些电化学细胞具有氧化和还原半细胞反应,这些反应自发地发生以产生能量。电极位通过提供能量来驱动非自发氧化还原反应,以薄膜将电极板化,从而反转电镀电池。阳极由要镀的金属制成,通过提供直流电被氧化。阳极的这种氧化产生溶解和流经电解溶液的离子,电解液中含有金属盐和其他离子,允许电流流动。溶解的离子被减少并镀在阴极上。电致变色电池在受到电压影响时会改变其光学吸收。与电镀一样,驱动电致变色氧化还原反应可使这些材料在漂白状态和彩色状态之间过渡,就像涂层材料普鲁士蓝一样。

电镀工艺要求工艺中使用的两种材料具有导电性,因为主要使用金属和金属化合物。为了成功电镀,要镀层的材料表面需要完全清洁。通过将材料浸入强酸中或反向短暂连接电镀电路,确保表面清洁 - 如果电极清洁,电镀金属中的原子将有效地粘接它。即使表面清洁,当部件具有复杂的几何形状时,也会导致电镀厚度分布不均匀时,也会导致电镀无效。电镀厚度可以通过改变金属之间的电流持续时间和金属之间施加的电流强度来控制。增加其中一种或两种将增加电镀的厚度。通过控制电镀的厚度,可以避免复杂几何形状引起的电镀问题。

该技术的目标是将普鲁士蓝的薄膜电镀到ITO涂层PET的薄片上,然后利用UV-Vis光谱测量薄膜吸收和透射光的能力。处于漂白和彩色状态的电致变色薄膜的UV-Vis数据将量化这两种状态的薄膜之间的颜色差异。此外,较厚的电致变色膜将实现更深刻的彩色状态,因此与较薄的薄膜相比,吸收的光线相对较多。因此,UV-Vis 还可用于对薄膜进行质量厚度比较。

Procedure

  1. 通过混合 50 mL 的 0.05 M 盐酸 (HCl)、100 mL 的 0.05 m 铁氧化钾 (K3[Fe(CN)6]和 100 mL 的 0.05 M 铁 (III) 氯化物六合物(FeCl3.6H2O))制备普鲁士蓝溶液。
  2. 通过将大约 8 厘米的单色线 (NiCr) 包裹到紧的线圈中,创建阳极。
  3. 通过去除保护 ITO 涂层 PET 5X5 厘米板导电侧的外涂层来制备阴极基板。
  4. 通过将 9 伏 (9V) 蓄电池的正极串连连接到 30 欧姆电阻器,然后使用鳄鱼夹连接到 NiCr 阳极来构建电路。使用鳄鱼夹将电池的负端连接到 ITO 阴极基板。确保阴极和阳极未接触溶液中。
  5. 准备电路和普鲁士蓝溶液后,将阴极和阳极放入溶液中,注意不要淹没任何鳄鱼夹。保持2分钟,然后在DI水中取出并冲洗阴极和阳极。此步骤可在不同的浸没时间重复,以改变涂层的厚度。
  6. 使用 Perkin Elmer Lambda 950 UV-Vis 光谱仪分析样品,确定其波长范围为 750-400 nm 的可见光的透射率。请务必通过扫描未涂有普鲁士蓝的 ITO 涂层 PET 样品来分析透射量的背景水平。
  7. 在 UV-Vis 中运行普鲁士蓝色样品后,制备 1.0 M 氯化钾 (KCl) 的 150 mL 溶液。
  8. 使用相同的电路和 NiCr 阳极(串联使用 9V 电池)和附加鳄鱼夹将普鲁士蓝色图层的两侧连接到电路。在 KCl 溶液中浸入阳极和阴极 1.5 分钟,推动电致变色从彩色到漂白的过渡。
  9. 然后像以前那样在DI水中取出并冲洗阴极和阳极。
  10. 使用上述透射物鳞片参数在 UV-Vis 中运行漂白样品。

电镀是一种利用电流将溶解的金属阳离子降低到电极表面,形成薄膜的过程。薄膜是厚度从不到一纳米到几微米的材料层。这些薄膜用于广泛的应用,从太阳能电池到生物传感器探头,并提供经过修改的表面特性,体积变化最小。然而,薄膜的厚度必须一致且可控。有许多不同的薄膜沉积技术,通常用于控制实验室沉积薄膜,每种技术都有其优点和缺点。在本视频中,我们将介绍电镀技术,并演示如何在实验室中使用这种方法形成薄膜。

电镀在一个像电化电池一样的设置中进行,电化电池由两种不同的金属组成,阳极和阴极,由盐桥或多孔膜连接。这些电化学电池具有氧化和还原半细胞反应,这些反应自发地发生在每个金属电极上,从而产生电流。电镀依赖于类似的概念。然而,它通过提供电流来逆转它,从而驱动非自发的氧化还原反应。阳极由要镀的金属制成,被氧化,产生溶解离子。这些离子流经电解溶液,其中含有金属盐和其他允许电流流动的离子。

溶解的金属离子然后减少并镀在阴极上。电镀工艺要求阳极和阴极材料均具有导电性。因此,通常使用金属。电镀厚度通过改变电极之间电流的持续时间和强度来控制。增加其中一个或两个参数将导致较厚的电镀层。现在,您已经了解了电镀的基本知识,我们将通过将暗颜料普鲁士蓝的薄膜电镀到一块用氧化锡(ITO)编码的聚酯片上来演示该技术。

首先,准备普鲁士蓝色解决方案。普鲁士蓝是一种由铁氰化物盐氧化产生的颜料。混合50毫升0.05摩尔盐酸,100毫升0.05摩尔六氟化钾(III),和100毫升0.05摩尔铁(III)氯化六氟水合物。现在,通过将大约 8 厘米的 Nichrome 线包裹到紧的线圈中,创建阳极。首先将ITO涂层聚酯切割成5乘5厘米的正方形,准备阴极。然后去除保护材料导电侧的外涂层。

接下来,通过将 9 伏蓄电池的正极与 30 千欧电阻连接来构建电路。然后使用鳄鱼夹将其连接到 Nichrome 阳极。使用鳄鱼夹将电池的负端连接到 ITO 阴极。确保阳极和阴极未接触。现在,将阴极和阳极放入普鲁士蓝色溶液中,注意不要淹没鳄鱼夹。在解决方案中保留设置一分钟。然后,在去离子水中取出并冲洗两个电极。使用新的 ITO 电极重复此过程,每个电极都浸入不同的沉积时间和电池电压。

现在,我们将通过 UV-VIS 光谱法分析各种薄膜,使用 750 到 400 纳米范围内的可见光传输百分比。首先,使用未涂有普鲁士蓝的 ITO 基板进行背景扫描。然后,测量普鲁士蓝色涂层样品的传输百分比,从空白 ITO 中减去背景透射量。现在比较每个样本之间的传输百分比。首先,让我们来看看有效的沉积时间。这些样品沉积了30秒、60秒和240秒。对于沉积时间越长的样品,透射率较低,表明薄膜较厚。同样,沉积在较高电压下的薄膜的透射率低于沉积在较低电压下,这表明在较高电压下形成较厚的薄膜。

薄膜在材料工程和其他研究领域有着广泛的应用。电镀技术可用于在表面上对微尺度特征和纳米尺度厚度进行图案。在这里,研究人员将涂层光胶旋转到导电基板上。然后使用紫外光使用网格图案蒙版对微尺度晶格进行图案化。然后,使用显影解去除紫外线照射图案,以揭示揭示导电基板的沟槽晶格图案。然后,铜电镀到表面,金属膜只在基材的导电部分形成,而不是在剩余的光刻胶上形成。

去除剩余的光刻图案后,仍然保留一个凸起的金属晶格,厚度小于两纳米。电镀还可用于将生物材料层沉积在表面上,从而提高传感器或探头的生物相容性。在这里,一层薄薄的甲酮被电沉积在一个图案的金阴极上。基托桑是一种多糖,可溶于pH6.3以下,不溶于pH6.3以上。阴极处的水电解导致pH局部增加,导致材料的溶胶过渡,使沉积膜不溶。这使得它能够用作酶粘附的生物兼容表面,并开发葡萄糖传感器。

您刚刚观看了 JoVE 关于薄膜电镀的介绍。现在,您应该了解电镀过程的工作原理、在实验室中如何执行,以及该技术的一些应用。谢谢你的收看。

Results

从质量上讲,在普鲁士蓝中涂覆的 ITO 在应用负电位时将变得透明,如下图 1所示。通过施加正电压可以扭转这种变化。

Figure 1
1:普鲁士蓝在其彩色和漂白状态。

更定性地,沉积层的厚度可以通过多种方式改变和测量,包括改变电极电压或电镀时间。对于普鲁士蓝,不同的层厚度将影响光通过样品的透射百分比。ITO 沉积的普鲁士蓝量与不透度程度之间的关系可以通过UV-可见分光度测量,图2和图3所示。

Figure 2
2:普鲁士蓝的UV-Vis光谱,其彩色状态适用于各种电化学沉积电压。 

Figure 3
图3:普鲁士蓝的UV-Vis光谱,其颜色状态为各种电化学沉积时间。

沉积在较高电压的薄膜的透射率低于沉积在较低电压下薄膜的传输率。这表明层在更高的电压下比在低电压时更厚。此外,电沉积时间较长的样品的透射率较低,再次表明薄膜在较长的沉积时间下较厚。

Applications and Summary

如本实验所示,电镀允许在体积变化最小范围内修改材料表面属性。在电镀过程中,电流通过阳极和阴极之间的电解溶液传递。电解质溶液中的带正电的阳离子被吸引并沉积在带负电荷的阴极上。一旦沉积,层中的原子通过还原过程获得电子。

电镀的速度和量取决于电解质溶液中阴极和阳极之间施加的电流强度。此外,必须仔细选择用于电镀的金属,因为某些金属会相互合金;在这些情况下,必须沉积多个金属层。

由于阳离子是化学粘合基板,电镀具有均匀热膨胀、更好的耐化学腐蚀和增强物理耐久性等优点。与其他薄膜沉积方法相比,电化学沉积的一个缺点是,在沉积之前,必须在基板上铺设导电表面。此外,电镀过程并不总是产生均匀的沉积,导致材料涂层不一致。

除存放普鲁士蓝外,电镀还有许多应用。电镀广泛用于珠宝行业,因为它允许对电镀过程进行高度控制,并允许不同的美学修改。通过沉积不同的金属来形成具有独特外观的合金,可以实现各种颜色变化。此外,金属可以以统一的方式沉积,从而减少颜色不一致,并隐藏焊料和组件线。通过利用电镀,珠宝商能够创造出美观、美观的实用、一致的金属涂层。

电镀也用于汽车行业。车辆经常受到重要部件磨损的力。电镀允许在不改变零件功能体积的情况下修改和增强各种部件的属性。沉积铬为车辆提供卓越的磨损和腐蚀保护,使汽车能够以最低的维护和修理要求延长使用寿命。

在半导体行业,与传统的蒸发技术不同,电镀具有巨大的成本、可靠性和环境优势,并可适应截然不同的晶圆尺寸。电镀工艺允许在易碎的基板上沉积,也允许先进的形状控制或新功能。电极利用一种易于适应工业生产的技术,提供了一种廉价独特的样品。

  1. 通过混合 50 mL 的 0.05 M 盐酸 (HCl)、100 mL 的 0.05 m 铁氧化钾 (K3[Fe(CN)6]和 100 mL 的 0.05 M 铁 (III) 氯化物六合物(FeCl3.6H2O))制备普鲁士蓝溶液。
  2. 通过将大约 8 厘米的单色线 (NiCr) 包裹到紧的线圈中,创建阳极。
  3. 通过去除保护 ITO 涂层 PET 5X5 厘米板导电侧的外涂层来制备阴极基板。
  4. 通过将 9 伏 (9V) 蓄电池的正极串连连接到 30 欧姆电阻器,然后使用鳄鱼夹连接到 NiCr 阳极来构建电路。使用鳄鱼夹将电池的负端连接到 ITO 阴极基板。确保阴极和阳极未接触溶液中。
  5. 准备电路和普鲁士蓝溶液后,将阴极和阳极放入溶液中,注意不要淹没任何鳄鱼夹。保持2分钟,然后在DI水中取出并冲洗阴极和阳极。此步骤可在不同的浸没时间重复,以改变涂层的厚度。
  6. 使用 Perkin Elmer Lambda 950 UV-Vis 光谱仪分析样品,确定其波长范围为 750-400 nm 的可见光的透射率。请务必通过扫描未涂有普鲁士蓝的 ITO 涂层 PET 样品来分析透射量的背景水平。
  7. 在 UV-Vis 中运行普鲁士蓝色样品后,制备 1.0 M 氯化钾 (KCl) 的 150 mL 溶液。
  8. 使用相同的电路和 NiCr 阳极(串联使用 9V 电池)和附加鳄鱼夹将普鲁士蓝色图层的两侧连接到电路。在 KCl 溶液中浸入阳极和阴极 1.5 分钟,推动电致变色从彩色到漂白的过渡。
  9. 然后像以前那样在DI水中取出并冲洗阴极和阳极。
  10. 使用上述透射物鳞片参数在 UV-Vis 中运行漂白样品。

电镀是一种利用电流将溶解的金属阳离子降低到电极表面,形成薄膜的过程。薄膜是厚度从不到一纳米到几微米的材料层。这些薄膜用于广泛的应用,从太阳能电池到生物传感器探头,并提供经过修改的表面特性,体积变化最小。然而,薄膜的厚度必须一致且可控。有许多不同的薄膜沉积技术,通常用于控制实验室沉积薄膜,每种技术都有其优点和缺点。在本视频中,我们将介绍电镀技术,并演示如何在实验室中使用这种方法形成薄膜。

电镀在一个像电化电池一样的设置中进行,电化电池由两种不同的金属组成,阳极和阴极,由盐桥或多孔膜连接。这些电化学电池具有氧化和还原半细胞反应,这些反应自发地发生在每个金属电极上,从而产生电流。电镀依赖于类似的概念。然而,它通过提供电流来逆转它,从而驱动非自发的氧化还原反应。阳极由要镀的金属制成,被氧化,产生溶解离子。这些离子流经电解溶液,其中含有金属盐和其他允许电流流动的离子。

溶解的金属离子然后减少并镀在阴极上。电镀工艺要求阳极和阴极材料均具有导电性。因此,通常使用金属。电镀厚度通过改变电极之间电流的持续时间和强度来控制。增加其中一个或两个参数将导致较厚的电镀层。现在,您已经了解了电镀的基本知识,我们将通过将暗颜料普鲁士蓝的薄膜电镀到一块用氧化锡(ITO)编码的聚酯片上来演示该技术。

首先,准备普鲁士蓝色解决方案。普鲁士蓝是一种由铁氰化物盐氧化产生的颜料。混合50毫升0.05摩尔盐酸,100毫升0.05摩尔六氟化钾(III),和100毫升0.05摩尔铁(III)氯化六氟水合物。现在,通过将大约 8 厘米的 Nichrome 线包裹到紧的线圈中,创建阳极。首先将ITO涂层聚酯切割成5乘5厘米的正方形,准备阴极。然后去除保护材料导电侧的外涂层。

接下来,通过将 9 伏蓄电池的正极与 30 千欧电阻连接来构建电路。然后使用鳄鱼夹将其连接到 Nichrome 阳极。使用鳄鱼夹将电池的负端连接到 ITO 阴极。确保阳极和阴极未接触。现在,将阴极和阳极放入普鲁士蓝色溶液中,注意不要淹没鳄鱼夹。在解决方案中保留设置一分钟。然后,在去离子水中取出并冲洗两个电极。使用新的 ITO 电极重复此过程,每个电极都浸入不同的沉积时间和电池电压。

现在,我们将通过 UV-VIS 光谱法分析各种薄膜,使用 750 到 400 纳米范围内的可见光传输百分比。首先,使用未涂有普鲁士蓝的 ITO 基板进行背景扫描。然后,测量普鲁士蓝色涂层样品的传输百分比,从空白 ITO 中减去背景透射量。现在比较每个样本之间的传输百分比。首先,让我们来看看有效的沉积时间。这些样品沉积了30秒、60秒和240秒。对于沉积时间越长的样品,透射率较低,表明薄膜较厚。同样,沉积在较高电压下的薄膜的透射率低于沉积在较低电压下,这表明在较高电压下形成较厚的薄膜。

薄膜在材料工程和其他研究领域有着广泛的应用。电镀技术可用于在表面上对微尺度特征和纳米尺度厚度进行图案。在这里,研究人员将涂层光胶旋转到导电基板上。然后使用紫外光使用网格图案蒙版对微尺度晶格进行图案化。然后,使用显影解去除紫外线照射图案,以揭示揭示导电基板的沟槽晶格图案。然后,铜电镀到表面,金属膜只在基材的导电部分形成,而不是在剩余的光刻胶上形成。

去除剩余的光刻图案后,仍然保留一个凸起的金属晶格,厚度小于两纳米。电镀还可用于将生物材料层沉积在表面上,从而提高传感器或探头的生物相容性。在这里,一层薄薄的甲酮被电沉积在一个图案的金阴极上。基托桑是一种多糖,可溶于pH6.3以下,不溶于pH6.3以上。阴极处的水电解导致pH局部增加,导致材料的溶胶过渡,使沉积膜不溶。这使得它能够用作酶粘附的生物兼容表面,并开发葡萄糖传感器。

您刚刚观看了 JoVE 关于薄膜电镀的介绍。现在,您应该了解电镀过程的工作原理、在实验室中如何执行,以及该技术的一些应用。谢谢你的收看。

JoVE Science Education is free through June 15th 2020.

RECOMMEND JoVE