Summary
Cet article vise à présenter une méthode pour former des films lisses et bien contrôlés de chlorure d’argent (AgCl) avec une couverture désignée sur le dessus des électrodes argentées à film mince.
Abstract
Cet article vise à présenter un protocole pour former des films lisses et bien contrôlés de chlorure d’argent/argent (Ag/AgCl) avec une couverture désignée sur le dessus des électrodes argentées à film mince. Des électrodes argentées à couche mince de 80 μm x 80 μm et 160 μm x 160 μm ont été crachées sur des plaquettes de quartz avec une couche de chrome/or (Cr/Au) pour l’adhérence. Après la passivation, le polissage et les processus de nettoyage cathodique, les électrodes ont subi une oxydation galvanostique en tenant compte de la loi de Faraday de l’électrolyse pour former des couches lisses d’AgCl avec un degré désigné de couverture sur le dessus de l’électrode argentée. Ce protocole est validé par l’inspection des images de microscope électronique à balayage (SEM) de la surface des électrodes de film mince Ag/AgCl fabriquées, qui met en évidence la fonctionnalité et les performances du protocole. Des électrodes fabriquées de façon optimale sont également fabriquées à des fins de comparaison. Ce protocole peut être largement utilisé pour fabriquer des électrodes Ag/AgCl avec des exigences spécifiques d’impédance (p. ex., sonder les électrodes pour des applications de détection d’impédance comme la cytométrie de flux d’impédance et les réseaux d’électrodes interdigités).
Introduction
L’électrode Ag/AgCl est l’une des électrodes les plus utilisées dans le domaine de l’électrochimie. Il est le plus couramment utilisé comme électrode de référence dans les systèmes électrochimiques en raison de sa facilité de fabrication, propriété non toxique et potentiel électrode stable1,2,3,4,5,6.
Les chercheurs ont tenté de comprendre le mécanisme des électrodes Ag/AgCl. La couche de sel de chlorure sur l’électrode s’est avérée être un matériau fondamental dans la réaction caractéristique de redox de l’électrode Ag/AgCl dans un chlorure contenant de l’électrolyte. Pour le chemin d’oxydation, l’argent aux sites d’imperfection à la surface de l’électrode se combine avec les ions chlorure dans la solution pour former des complexes solubles AgCl, dans lesquels ils diffusent aux bords de l’AgCl déposés sur la surface de l’électrode pour les précipitations sous la forme d’AgCl. Le chemin de réduction implique la formation de complexes solubles AgCl à l’aide de l’AgCl sur l’électrode. Les complexes diffusent à la surface argentée et réduisent à l’argent élémentaire7,8.
La morphologie de la couche AgCl est une influence essentielle dans la propriété physique des électrodes Ag/AgCl. Divers travaux ont montré que la grande surface est la clé pour former des électrodes Ag/AgCl de référence avec des potentiels électrodes hautement reproductibles et stables9,10,11,12. Par conséquent, les chercheurs ont étudié des méthodes pour créer des électrodes Ag/AgCl avec une grande surface. Brewer et coll. ont découvert que l’utilisation d’une tension constante au lieu d’un courant constant pour fabriquer des électrodes Ag/AgCl entraînerait une structure AgCl très poreuse, augmentant la surface de la coucheAgCl 11. Safari et coll. ont profité de l’effet de limitation du transport de masse lors de la formation d’AgCl à la surface des électrodes argentées pour former des nanofeuilles AgCl au-dessus d’eux, augmentant la surface de la couche AgCl de manière significative12.
Il y a une tendance à la hausse à concevoir l’électrode AgCl pour les applications de détection. Une faible impédance de contact est cruciale pour la détection des électrodes. Ainsi, il est important de comprendre comment le revêtement de surface d’AgCl affecterait sa propriété d’impédance. Nos recherches précédentes ont montré que le degré de couverture d’AgCl sur l’électrode argentée a une influence pivot sur la caractéristique d’impédance de l’interface électrode/électrolyte13. Toutefois, pour estimer correctement l’impédance de contact des électrodes Ag/AgCl à film mince, la couche AgCl formée doit être lisse et avoir une couverture bien contrôlée. Par conséquent, une méthode pour former des couches AgCl lisses avec des degrés désignés de couverture AgCl est nécessaire. Des travaux ont été effectués pour répondre partiellement à ce besoin. Brewer et coll. et Pargar et coll. ont discuté du fait qu’une AgCl lisse peut être réalisée à l’aide d’un courant constant doux, fabriquant la couche AgCl au-dessus de l’électrode argentée11,14. Katan et coll. ont formé une seule couche d’AgCl sur leurs échantillons d’argent et ont observé la taille des particules d’AgCl individuelles8. Leurs recherches ont révélé que l’épaisseur d’une seule couche d’AgCl est d’environ 350 nm. Le but de ce travail est de développer un protocole pour former des films fins et bien contrôlés d’AgCl avec des propriétés d’impédance prévues sur le dessus des électrodes argentées.
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Protocol
1. Fabrication d’une couche d’adhérence Cr/Au à l’aide d’un décollage
- Spincoat HPR504 photorésiste positif de 1,2 μm d’épaisseur sur une plaquette de quartz en utilisant une vitesse de propagation de 1 000 tr/min pour 5 s et une vitesse de rotation de 4 000 tr/min pour 30 s.
- Softbake le photorésiste sur la plaquette de quartz à 110 °C pendant 5 min sur une plaque chaude.
- À l’aide d’un aligneur de masque, exposez la plaquette de telle sorte que les emplacements pour le dépôt de Cr/Au soient exposés avec la lumière ultraviolette (UV). La densité de puissance d’exposition et le temps sont respectivement de 16 mW/cm2 et 7,5 s (densité d’énergie d’exposition = 120 mJ/cm2).
- Développer la plaquette en la submersant dans le développeur de résistance positive FHD-5 pendant 1 min. Rincer la plaquette avec de l’eau déionisée (DI) après le processus de développement.
- Sécher la plaquette à l’aide d’un pistolet à azote (N2). Mettre la gaufrette au four pendant 5 min à 120 °C.
- À l’aide de l’évaporation du faisceau d’électrons (faisceau électronique), déposez une couche de 5 nm Cr, suivie d’une couche Au de 50 nm sur la plaquette. Les taux de dépôt sont respectivement de 1 Å/s et de 2 Å/s.
- Placez la plaquette évaporée e-faisceau dans un récipient. Verser une grande quantité d’acétone à l’intérieur.
- Fermez le contenant à l’aide d’un couvercle. Placez le contenant dans un nettoyant à ultrasons pendant 10 min ou jusqu’à ce que le processus de décollage soit terminé.
- Rincer la plaquette à l’aide d’isopropanol (IPA) suivie d’eau DI. Séchez-le à l’aide du pistolet N2 et du four par la suite.
REMARQUE : Le protocole peut être mis en pause ici.
2. Fabrication d’électrodes Ag à film mince sur la couche d’adhérence à l’aide de décollage
- Spincoat AZ P4620 photorésiste positif de 7 μm d’épaisseur sur la plaquette en utilisant une vitesse de propagation de 1 000 tr/min pour 5 s et une vitesse de rotation de 4 000 tr/min pour 30 s.
- Softbake le photorésiste sur la plaquette à 90 °C pour 450 s sur une plaque chauffante.
- À l’aide d’un aligneur de masque, exposez la plaquette de telle sorte que les emplacements pour le dépôt d’Ag soient exposés avec UV. La densité de puissance d’exposition et le temps sont respectivement de 16 mW/cm2 et 45 s (densité d’énergie d’exposition = 720 mJ/cm2).
- Développer la plaquette en la submersant en FHD-5 pendant 2 min. Rincer la plaquette avec de l’eau DI après le processus de développement.
- Sécher la plaquette à l’aide d’un pistolet N2. Mettre la gaufrette au four pendant 5 min à 120 °C.
- Pulvériser une couche de 1 μm Ag sur la plaquette. Le taux de pulvérisation est de ~86 nm/min.
- Placez la plaquette éclaboussée dans un récipient. Verser une grande quantité d’acétone à l’intérieur.
- Fermez le contenant à l’aide d’un couvercle. Placez le contenant dans un nettoyant à ultrasons pendant 10 min ou jusqu’à ce que le processus de décollage soit terminé.
- Rincer la plaquette à l’aide de l’IPA suivie d’eau DI. Séchez-le à l’aide du pistolet N2 et du four par la suite.
3. Passivation de la plaquette pour exposer uniquement les électrodes et les plaquettes de contact
- Passerivate toute la surface de la plaquette avec une couche de dioxyde de silicium de 2 μm (SiO2)à l’aide de dépôt de vapeur chimique amélioré par plasma (PECVD).
- Passivate un petit échantillon de silicium factice (un fragment de plaquette de silicium) ensemble la plaquette simultanément.
- Mesurer l’épaisseur de la couche d’oxyde de l’échantillon factice.
REMARQUE : Le protocole peut être mis en pause ici.
- Spincoat AZ 5214E photorésiste à double tonalité de 1,4 μm d’épaisseur sur la plaquette en utilisant une vitesse de propagation de 1000 tr/min pour 5 s et une vitesse de rotation de 3000 tr/min pour 30 s.
- Softbake le photorésiste sur la plaquette à 90 °C pour 150 s sur une plaque chauffante.
- À l’aide d’un aligneur de masque, exposez la plaquette de telle sorte que les emplacements pour l’ouverture du pad soient exposés avec des UV. La densité de puissance d’exposition et le temps sont respectivement de 16 mW/cm2 et 2,25 s (densité d’énergie d’exposition = 36 mJ/cm2).
- Développer la plaquette en la submersant en FHD-5 pendant 75 s. Rincer la plaquette avec de l’eau DI après le processus de développement.
- Après avoir brièvement séché la plaquette à l’aide d’un pistolet N2, faire cuire la gaufrette au four pendant 15 min à 120 °C.
- Effectuer descum de photorésiste sur la plaquette pendant 1 min à l’aide d’un asher plasma pour assurer l’enlèvement complet du photorésiste indésirable.
- Effectuez une gravure ion réactive sur la plaquette et l’échantillon factice pour exposer les électrodes à film mince et les plaquettes de contact.
- Après avoir effectué le processus de gravure pendant une courte période de temps (p. ex., 5 à 10 min), arrêtez l’opération et retirez l’échantillon factice.
- Mesurer l’épaisseur de la couche d’oxyde au-dessus de l’échantillon factice. Comparez-le avec le résultat obtenu à l’étape 3.1.2.
- Calculer le taux de gravure SiO2 de la machine pour affiner la durée de gravure afin d’atteindre un overetch de 10%.
- Continuez le processus de gravure sans l’échantillon factice.
- Résistez à la bande de la plaquette gravée par ashing plasma pendant 30 min, suivie d’un bain de strip-teaseuse photorésiste positif MS2001 à 70 °C pendant 5 min.
- Rincer la plaquette à l’aide de l’eau DI. Sécher la gaufrette à l’aide du pistolet N2 et du four.
REMARQUE : Le protocole peut être mis en pause ici.
4. Préparation à la fabrication d’électrodes à film mince Ag/AgCl (puce)
- Couper les dés de la plaquette pour obtenir différentes puces d’essai.
- Polir les surfaces d’électrode sur les copeaux à l’aide de papier de verre fin.
- Lier les plaquettes de contact sur la puce à une carte de circuit imprimée externe à des fins d’interface à d’autres étapes.
- Imprimez en 3D un récipient rectangulaire creux acrylique pour tenir l’électrolyte sur les électrodes minces de film. Les dimensions du récipient rectangulaire devraient permettre le placement d’un fil et d’une pipette confortablement à l’intérieur du vide.
- Mélanger une petite quantité de prépolymère de polydiméthylsilsiloxane (PDMS) et son agent de durcissement à fond. Le ratio doit être de 10:1.
REMARQUE : Il est très courant de dégazer le mélange PDMS pour obtenir des dispositifs PDMS de haute qualité; cependant, il n’est pas nécessaire dans ce cas que le mélange est seulement utilisé comme un adhésif. - Placez le récipient acrylique sur la puce coupée en dés de manière à ce que toutes les électrodes argentées soient à l’intérieur de la cavité du récipient.
- À l’aide d’un cure-dent ou d’une tige fine, enduisez le mélange PDMS non réparé sur le bord extérieur où le récipient et la puce se touchent.
- Placez soigneusement la puce sur une plaque chauffante plate et guérissez le PDMS pendant 2 h à 80 °C ou jusqu’à ce que le récipient soit fixé en toute sécurité sur la puce.
5. Préparation à la fabrication d’électrodes à couche mince Ag/AgCl (réactifs)
- À l’aide d’eau di et d’acide chlorhydrique concentré (HCl), obtenir une solution HCl de 0,01 M.
- À l’aide de poudre de chlorure d’eau et de potassium (KCl), obtenez une solution KCl de 3,5 M et une solution KCl de 0,1 M.
REMARQUE : Le protocole peut être mis en pause ici.
6. Préparation à la fabrication d’électrodes Ag/AgCl à film mince (électrodes macro)
- Coupez des fils d’argent.
- Polir la surface des fils d’argent avec du papier de verre fin.
- Submerse 80% des fils d’argent dans l’eau de Javel domestique pendant 1 h.
REMARQUE : La couleur du fil passera du violet argenté au violet foncé. Cela montre la formation d’AgCl sur la surface du fil d’argent. - Rincer le fil Ag/AgCl avec de l’eau DI.
- Faire une électrode de référence Ag/AgCl à l’aide d’un des fils Ag/AgCl faisant référence à Hassel et al. avec des modifications15.
REMARQUE : Les modifications utilisent une pipette au lieu d’un capillaire en verre, en utilisant 3,5 M KCl comme électrolyte, en abandonnant le bloc polymère et le connecteur plaqué or et le remplacer par un parafilm. - Stockez les électrodes Ag/AgCl en les submersant dans une solution KCl de 3,5 M. Assurez-vous que la partie argentée n’entre pas en contact avec la solution.
- Coupez plusieurs morceaux de fils Ag/AgCl et mettez-les dans les solutions KCl mentionnées à l’étape 5.2.
REMARQUE : Le protocole peut être mis en pause ici.
- Coupez plusieurs morceaux de fils Ag/AgCl et mettez-les dans les solutions KCl mentionnées à l’étape 5.2.
7. Nettoyage cathodique des électrodes micro Ag
REMARQUE : Tous les processus suivants utilisent l’analyseur/poste de travail électrochimique CHI660D et son logiciel d’accompagnement.
- Rincer la puce à l’aide de l’IPA, suivie de l’eau DI.
- Verser la solution HCl de 0,01 M dans le contenant acrylique.
- Essuyez assécher l’extérieur de la pipette de référence macro Ag/AgCl (fabriquée à l’étape 6.5) et une électrode macro Ag/AgCl (fabriquée à l’étape 6.3) à l’aide de lingettes propres en laboratoire.
- Connectez la puce et les macro-électrodes à l’analyseur de telle sorte qu’une fine électrode Ag sur la puce est définie comme l’électrode de travail, l’électrode de référence macro Ag/AgCl est définie comme l’électrode de référence, et l’électrode simple macro Ag/AgCl est définie comme l’électrode de contre.
- Placez les électrodes macro dans le récipient. Utilisez blu-tack comme couvercle du récipient pour ancrer les électrodes macro.
- Placez la configuration dans une cage de Faraday.
- Dans le logiciel CHI660D, cliquez sur l’onglet Installation dans le coin supérieur gauche de la fenêtre. Cliquez ensuite sur Technique | Courbe ampérométrique i-t | OK pour effectuer le nettoyage cathodique des électrodes.
- Dans le menu contextuel, modifiez les paramètres de nettoyage cathodique.
- Définissez l’Init E (V) comme -1,5.
- Définissez l’intervalle d’échantillons (sec) comme 0,1 (par défaut).
- Définissez l’heure d’exécution (sec) comme 900.
- Définissez le temps de quint (sec)à 0 (Par défaut).
- Définissez les balances pendant l’exécution comme 1 (par défaut).
- Réglez la sensibilité (A/V) de manière appropriée. Pour une électrode de 80 μm x 80 μm, réglez-la comme 1e-006.
- Appuyez sur OK. Démarrez le processus en appuyant sur l’icône Démarrer sous la barre de menus.
- Laissez l’expérience s’exécuter et terminer.
- Ouvrez la cage de Faraday.
- Retirez la référence macro et contre l’électrode. Essuyez leurs surfaces.
- Verser l’électrolyte utilisé dans un contenant de déchets. Rincer le récipient acrylique à l’aide d’eau DI.
8. Fabrication d’AgCl monocounte sur le film mince Ag électrodes
- Verser la solution KCl de 0,1 M dans le contenant acrylique.
- Connectez la puce et les macro électrodes à l’analyseur de telle sorte que l’électrode Ag de film mince nettoyée sur la puce soit définie comme l’électrode de travail, l’électrode de référence macro Ag/AgCl est définie comme l’électrode de référence, et l’électrode simple de macro Ag/AgCl est définie comme l’électrode de compteur.
- Placez les électrodes macro dans le récipient. Utilisez blu-tack comme couvercle du récipient pour ancrer les électrodes macro.
- Placez la configuration dans une cage de Faraday.
- Dans le logiciel CHI660D, cliquez sur l’onglet Installation dans le coin supérieur gauche de la fenêtre, puis cliquez sur Technique | Chronopotentiométrie | OK pour effectuer la fabrication galvanostatique d’AgCl à une seule couche sur des électrodes argentées.
- Dans le menu contextuel, modifiez les paramètres d’un tel processus.
- Définissez le courant cathodique (A) comme 0 (Par défaut).
- Réglez le courant anodique (A) de sorte que la densité de courant appliquée à l’électrode de film mince est de 0,5 mA/cm2.
- Conservez la limite Haute et Basse E et maintenez le temps par défaut.
- Définissez l’heure cathodique (sec) comme 10 (Par défaut).
- Définissez l’heure anodique (sec) en conséquence pour atteindre le degré de couverture AgCl nécessaire.
NOTE: En ce qui concerne la loi Faradays de l’électrolyse, le temps nécessaire pour une couverture de 100% est de 262 s. Le temps nécessaire varie linéairement avec le pourcentage de couverture. - Définissez la polarité initiale comme anodique.
- Définissez l’Intvel de stockage de données (sec) comme 0,1 (par défaut).
- Définissez le nombre de segments comme 1 (par défaut).
- Définissez la priorité de commutation actuelle en temps.
- Décochez l’enregistrement du signal auxiliaire lorsque l’intervalle d’échantillon > = 0,0005s (par défaut).
- Appuyez sur OK. Démarrez le processus en appuyant sur l’icône Démarrer sous la barre de menus.
- Laissez l’expérience s’exécuter et terminer.
- Ouvrez la cage de Faraday.
- Retirez la référence macro et contre l’électrode. Essuyez leurs surfaces.
- Submerse les électrodes macro dans la solution KCl de 3,5 M pour le stockage.
- Verser l’électrolyte utilisé dans un contenant de déchets. Rincer le récipient à l’aide de l’eau di.
- Couvrir l’ouverture du récipient acrylique à l’aide d’un parafilm pour un traitement ultérieur.
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Representative Results
La figure 1 montre une électrode Ag/AgCl de 80 μm x 80 μm avec une couverture AgCl conçue de 50 % fabriquée selon le présent protocole. Par observation, la superficie du patch AgCl est d’environ 68 μm x 52 μm, ce qui correspond à environ 55 % de la couverture d’AgCl. Cela montre que le protocole peut contrôler finement la quantité de couverture AgCl sur le film mince Ag électrodes. La couche AgCl fabriquée est également très lisse, comme en témoigne l’agglutation des particules AgCl adjacentes. En outre, la couche d’AgCl n’est qu’une seule couche, ce qui est prouvé par l’absence de particules empilées AgCl et une intersection distinctive Ag/AgCl. La figure 2 montre des exemples plus réussis d’électrodes Ag/AgCl à film mince fabriquées à l’aide de ce protocole, qui sont des électrodes de 80 μm x 80 μm avec une couverture AgCl désignée de 70 % et 30 %, ainsi que 160 électrodes de μm x 160 μm avec une couverture désignée d’AgCl de 75 % et 90 %, confirmant la robustesse de ce protocole.
Figure 1 : Image SEM exemplaire de l’électrode Ag/AgCl à film mince avec une dimension de 80 μm x 80 μm et couverture désignée AgCl de 50 %. La couverture d’AgCl observée est de 55 %, ce qui démontre l’efficacité du protocole. Ce chiffre a été modifié par Tjon et coll.13. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 2 : Images SEM exemplaires des électrodes Ag/AgCl à film mince avec diverses zones d’électrodes et couvertures AgCl. (A) 80 μm x 80 μm avec une couverture 70% AgCl. (B) 80 μm x 80 μm avec une couverture AgCl de 30 %. (C) 160 μm x 160 μm avec une couverture AgCl de 75 %. (D) 160 μm x 160 μm avec une couverture AgCl de 90 %. Ces chiffres ont été modifiés à partir de Tjon et coll.13. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
La figure 3 illustre un résultat négatif lorsque l’étape de polissage est omise (c.-à-d. l’étape 4.2). La figure 3A montre une surface d’électrodes polie alors que la figure 3B montre une surface d’électrode non polie. Pour l’électrode non polie, on peut observer des structures semblables à des doigts à la surface, ce qui est illustré à la figure 4, où la surface de l’électrode polie est lisse avec des marques de rayures mineures causées par le processus de polissage. La figure 5 montre une électrode Ag/AgCl non polie de 80 μm x 80 μm avec une couverture AgCl conçue de 50 %. Par observation, la superficie de l’AgCl peu couverte n’est que d’environ 40 μm x 40 μm, ce qui est de 25 % de la surface apparente de l’électrode. En outre, par rapport à la figure 1 où le protocole est correctement observé, pour l’électrode non polie, l’AgCl formé semble être encastré vers l’intérieur au lieu de dépasser vers l’extérieur.
Figure 3 : Images SEM pour électrodes argentées nues. (A) 160 μm x 160 μm électrode (B) Non poli 40 μm x 40 μm électrode. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 4 : Image SEM zoomée pour les électrodes argentées non polies. Des structures semblables à des doigts peuvent être observées. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 5 : Fabrication sous-optimale d’électrodes Ag/AgCl à film mince. Sans polissage, le degré de couverture de l’AgCl formé sur la surface de l’électrode est plus petit que la valeur prévue. La couverture AgCl conçue pour cette électrode d’argent mince de 80 μm x 80 μm est de 50 %, mais la couverture réelle n’est que de 25 %. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
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Discussion
Les propriétés physiques d’une électrode Ag/AgCl sont contrôlées par la morphologie et la structure de l’AgCl déposée sur l’électrode. Dans cet article, nous avons présenté un protocole pour contrôler précisément la couverture d’une seule couche d’AgCl sur la surface de l’électrode argentée. Une partie intégrante du protocole est une forme modifiée de la loi de Faraday de l’électrolyse, qui est utilisé pour contrôler le degré d’AgCl sur les électrodes d’argent film mince. Il peut être écrit comme:
Où X est l’épaisseur d’une seule couche d’AgCl en cm (350 nm = 3,5 x 10-5 cm); P% est le pourcentage de la couverture AgCl sur la surface de l’électrode Ag (100% = couverture complète); j est la densité de courant appliquée en A/cm2 (0,5 mA/cm2),M est le poids molaire d’AgCl (143,5 g/mol), t est la durée de l’anodisation en s (262 s pour une couverture de 100 %); F est la constante du Faraday (~96485 C/mol); D est la densité d’AgCl (5,56 g/cm3). Pour assurer le succès du protocole, plusieurs étapes critiques du protocole doivent être observées. L’étape 4.2, qui consiste à polir la surface de l’électrode d’argent à film mince, est cruciale pour définir la surface de l’électrode avant la formation galvanostatique d’AgCl sur la surface de l’électrode. À partir de la figure 3 et de la figure 4,la différence dans la structure de surface et la rugosité des électrodes d’argent à film mince fabriquées par pulvérisation peut être vue clairement; la surface argentée non polie a des structures en forme de doigt, tandis que la surface d’argent poli est la plupart du temps lisse avec des marques mineures de grattage provoquées par le frottement de papier de verre. Cela crée un problème majeur car les structures en forme de doigt augmentent efficacement la surface de l’électrode. Cela rend impossible la détermination de la surface de l’électrode et, par la suite, le degré de couverture d’AgCl sur l’électrode. L’effet de cette situation est bien illustré à la figure 1 et à la figure 5. L’électrode Ag/AgCl conforme au protocole a une couche lisse et unique d’AgCl avec une couverture AgCl bien contrôlée, tandis que l’électrode sans observer l’étape de polissage a une couverture surestimée d’AgCl sur l’électrode. L’étape 8.6.2, qui consiste à utiliser une densité de courant constante de 0,5 mA/cm2 pour former la couche AgCl sur l’électrode Ag à film mince, est cruciale pour créer une couche AgCl lisse avec une épaisseur d’une seule couche. Dépôts AgCl nouvellement formés aux bords de l’AgCl existant sur la surface en raison de sa faible énergie7,8. Cela permet aux particules AgCl de former une seule couche avant de s’épaissir. Toutefois, si une densité de courant élevée est appliquée lors de la formation galvanostatique de la couche AgCl, l’AgCl nouvellement formé pourrait avoir assez d’énergie pour se former directement sur l’électrode autre que le long des bords agcl existants, créant une surface AgCl plus rugueuse14. Cela rend le degré de couverture AgCl sur l’électrode incapable d’être contrôlé que les sites de formation AgCl ne peut pas être prédit dans de telles conditions. En outre, cela rend impossible la détermination de la surface de l’AgCl car sa rugosité affecte la surface, ce qui a été démontré pour affecter les caractéristiques d’impédance de l’électrode dans nos travaux précédents13.
Il existe plusieurs façons de déterminer si une seule couche d’AgCl est formée correctement. Tout d’abord, pour vérifier si l’étape de polissage est effectuée avec succès. L’échantillon doit être observé au microscope SEM sans revêtement doré après l’étape de polissage pour voir si la structure du doigt est remplacée par une surface lisse. En outre, lorsque la surface de l’électrode est entièrement recouverte d’AgCl, une oxydation galvanostatique supplémentaire entraînera une augmentation soudaine du potentiel appliqué au système à mesure que l’épaississement de l’AgCl augmente la résistance ohmique de la couche AgCl. Ceci peut être utilisé pour déterminer si la surface de l’électrode est déjà entièrement recouverte d’AgCl.
Il y a une limitation majeure concernant l’utilisation de cette méthode pour fabriquer des électrodes ag/agcl minces avec un bon contrôle de la couverture AgCl. Les électrodes fabriquées à l’aide de cette méthode ne sont pas retravaillées. Au cours du processus d’oxydation galvanostatique de l’électrode argentée pour former la couche de dépôt AgCl, les sites d’imperfection à la surface de l’électrode se développeront en taille d’une manière imprévisible. Si l’électrode est réduite pour revenir à AgCl, elle n’est pas en mesure de garantir que ces sites à la surface de l’électrode seront remplis comme il était. Au lieu de cela, la surface deviendra plus rugueuse. Si la surface est refinancée à l’aide de papier de verre après une tentative de retravail, un peu d’argent sera retiré de la surface pendant le polissage. Par conséquent, on ne peut le faire que quelques fois avant que la couche d’or sous-jacente ne soit exposée.
Cette méthode, par rapport aux méthodes typiques de fabrication d’électrodes Ag/AgCl, se concentre sur un contrôle fin de la couverture d’AgCl sur la surface de l’électrode ag film mince, alors que d’autres méthodes se concentrent sur la création d’une couche poreuse d’AgCl. Du meilleur de la connaissance de l’auteur, c’est la première fois qu’un protocole est développé pour fabriquer une seule couche d’AgCl finement contrôlée sur le dessus d’une électrode argentée. Cela est dû à différents objectifs de conception. La plupart des travaux précédents visaient à obtenir une électrode Ag/AgCl de référence avec une stabilité potentielle élevée d’électrodes, tandis que notre protocole vise à concevoir l’électrode d’Ag/AgCl de détection avec l’impédance basse pour des systèmes de détection d’impédance, tels que les cytomètres de flux d’impédance et les réseaux d’électrodes interdigités.
Les futures expériences peuvent inclure une étape de polissage plus sophistiquée, par exemple en utilisant un système de polissage pour atteindre une surface encore plus lisse. D’autres études peuvent également être menées pour évaluer la relation quantitative entre l’épaisseur de la couche AgCl et l’équation d’électrolyse du faraday.
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Disclosures
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Acknowledgments
Ce travail a été appuyé par une subvention du Fonds conjoint RGC-NSFC parrainée par le Research Grants Council of Hong Kong (projet no N_HKUST615/14). Nous tenons à reconnaître Nanosystem Fabrication Facility (NFF) de HKUST pour la fabrication de l’appareil / système.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| AST Peva-600EI E-Beam Evaporation System | Advanced System Technology | For Cr/Au Deposition | |
| AZ 5214 E Photoresist | MicroChemicals | Photoresist for pad opening | |
| AZ P4620 Photoresist | AZ Electronic Materials | Photoresist for Ag liftoff | |
| Branson/IPC 3000 Plasma Asher | Branson/IPC | Ashing | |
| Branson 5510R-MT Ultrasonic Cleaner | Branson Ultrasonics | Liftoff | |
| CHI660D | CH Instruments, Inc | Electrochemical Analyser | |
| Denton Explorer 14 RF/DC Sputter | Denton Vacuum | For Ag Sputtering | |
| FHD-5 | Fujifilm | 800768 | Photoresist Development |
| HPR 504 Photoresist | OCG Microelectronic Materials NV | Photoresist for Cr/Au liftoff | |
| Hydrochloric acid fuming 37% | VMR | 20252.420 | Making diluted HCl for cathodic cleaning |
| J.A. Woollam M-2000VI Spectroscopic Elipsometer | J.A. Woollam | Measurement of silicon dioxide passivation layer thickness on dummy | |
| Multiplex CVD | Surface Technology Systems | Silicon dioxide passivation | |
| Oxford RIE Etcher | Oxford Instruments | For Pad opening | |
| Potassium Chloride | Sigma-Aldrich | 7447-40-7 | Making KCl solutions |
| SOLITEC 5110-C/PD Manual Single-Head Coater | Solitec Wafer Processing, Inc. | For spincoating of photoresist | |
| SUSS MA6 | SUSS MicroTec | Mask Aligner | |
| Sylgard 184 Silicone Elastomer Kit | Dow Corning | Adhesive for container on chip |
References
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