הייצור של סרטים דקים כסף/אלקטרודות כלוריד כסף עם מבוקרת דק שכבה אחת כסף כלוריד
Summary
נייר זה מטרתו להציג שיטה ליצירת סרטים חלקים ומבוקרים היטב של כסף כלוריד (AgCl) עם כיסוי ייעודי על גבי אלקטרודות סרט דק כסף.
Abstract
נייר זה נועד להציג פרוטוקול ליצירת סרטים חלקים ומבוקרים היטב של כסף/כסף כלוריד (Ag/AgCl) עם כיסוי ייעודי על גבי אלקטרודות סרט דק כסף. הסרט דק אלקטרודות כסף בגודל 80 יקרומטר x 80 יקרומטר ו 160 יקרומטר x 160 יקרומטר היו לפלט על וופלים קוורץ עם כרום/זהב (Cr/Au) שכבת הדבקה. לאחר פסיבציה, ליטוש ותהליכי ניקוי cathodic, האלקטרודות עברו לגלואוסטטי חמצון עם התחשבות בחוק האלקטרוליזה של פאראדיי כדי ליצור שכבות חלקות של AgCl עם מידה מוגדרת של כיסוי על גבי האלקטרודות כסף. פרוטוקול זה מאומת על ידי בדיקה של סריקת מיקרוסקופ אלקטרונים (SEM) התמונות של פני השטח של אלקטרודות מפוברק Ag/AgCl סרט דק, אשר מדגיש את הפונקציונליות ואת הביצועים של הפרוטוקול. משנה אופטימלית אלקטרודות מפוברק מפוברק כמו גם עבור השוואה. פרוטוקול זה ניתן להשתמש באופן נרחב כדי להמציא אלקטרודות Ag/AgCl עם דרישות עכבה ספציפית (למשל, בודק אלקטרודות עבור יישומים חישה עכבה כמו זרימת העכבה cy, מערכי האלקטרודה ההדדית).
Introduction
האלקטרודה Ag/AgCl היא אחת האלקטרודות הנפוצות ביותר בתחום האלקטרוכימיה. הוא משמש בדרך כלל כאלקטרודה התייחסות במערכות אלקטרוכימי בשל קלות הייצור, המאפיין הלא רעיל והפוטנציאל האלקטרודה יציב1,2,3,4,5,6.
חוקרים ניסו להבין את המנגנון של אלקטרודות Ag/AgCl. שכבת המלח הכללורי על האלקטרודה נמצאה כחומר בסיסי בתגובה האופיינית לחמצון של האלקטרודות Ag/AgCl בתוך אלקטרוליט כלוריד המכיל. עבור השביל חמצון, כסף באתרים שלמות על פני האלקטרודה משלבת עם יוני כלוריד בפתרון ליצור מתחמי AgCl מסיסים, שבו הם מפוזר לקצות AgCl הופקד על פני השטח של האלקטרודה למשקעים בצורה של AgCl. השביל הפחתת כרוך היווצרות של מתחמים AgCl מסיסים באמצעות AgCl על האלקטרודה. התסביכים מתפזר למשטח הכסף ומפחית חזרה כסף אלמנטלים7,8.
המבנה של שכבת AgCl הוא השפעה מכרעת במאפיין הפיזי של אלקטרודות Ag/AgCl. יצירות שונות הראו כי השטח הגדול הוא המפתח לטופס התייחסות Ag/agcl אלקטרודות עם פוטנציאל מאוד החומר האלקטרודה יציבה9,10,11,12. לכן, חוקרים חקרו שיטות ליצירת אלקטרודות Ag/AgCl עם שטח גדול. ברואר ואח ‘ גילה כי באמצעות מתח קבוע במקום זרם קבוע להרכיבו אלקטרודות Ag/AgCl יגרום למבנה מאוד נקבובי AgCl, הגדלת שטח המשטח של השכבה ה-AgCl11. ספארי ואח ‘ ניצל את האפקט של הגבלת התחבורה ההמונית במהלך היווצרות AgCl על פני אלקטרודות כסף כדי ליצור AgCl ננוגיליונות על גבי אותם, הגדלת שטח פני השטח של שכבת AgCl באופן משמעותי12.
קיימת מגמה עולה לעצב אלקטרודות AgCl ליישומי חישה. התנגדות למגע נמוכה היא חיונית לחישת אלקטרודות. לכן, חשוב להבין כיצד ציפוי פני השטח של AgCl ישפיע על התכונה עכבה שלה. המחקר הקודם שלנו הראה כי מידת כיסוי AgCl על האלקטרודות כסף יש השפעה מרכזית על העכבה מאפיין של אלקטרודה/אלקטרוליט ממשק13. עם זאת, כדי להעריך נכון את העכבה של איש הקשר של אלקטרודות לסרט דק/AgCl, השכבה AgCl נוצר חייב להיות חלק ויש להם כיסוי נשלט היטב. לכן, דרושה שיטה ליצירת שכבות AgCl חלקות עם דרגות מוגדרות של כיסוי AgCl. עבודות נעשו כדי לטפל בצורך זה באופן חלקי. ברואר ואח ‘ ו-pargar et al. דנו כי ניתן להשיג agcl חלקה באמצעות זרם קבוע עדין, בדיית השכבה agcl על גבי האלקטרודה כסף11,14. קטן ואח ‘ הקים שכבה אחת של AgCl על דגימות הכסף שלהם והבחין בגודל של חלקיקים AgCl בודדים8. המחקר שלהם מצא כי עובי של שכבה אחת של AgCl הוא סביב 350 nm. מטרת העבודה היא לפתח פרוטוקול ליצירת סרטים עדינים ומבוקרים של AgCl עם מאפייני עכבה חזוי על גבי אלקטרודות כסף.
Protocol
Representative Results
Discussion
התכונות הפיזיות של אלקטרודה Ag/AgCl נשלטת על ידי המבנה ומבנה ה-AgCl הופקד על האלקטרודה. במאמר זה, הצגנו פרוטוקול כדי לשלוט במדויק את הכיסוי של שכבה אחת של AgCl על פני השטח של האלקטרודה הכסופה. חלק אינטגרלי של הפרוטוקול הוא צורה שונה של חוק פאראדיי של אלקטרוליזה, אשר משמש כדי לשלוט על מידת AgCl על אלקט…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי מענק מקרן RGC-NSFC בחסות מועצת מענקי המחקר של הונג קונג (פרויקט מס ‘ N_HKUST615/14). היינו רוצים להכיר את מתקן הייצור של ננוסיסטם (NFF) של HKUST עבור ייצור המכשיר/מערכת.
Materials
| 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
- Bakker, E., Telting-Diaz, M. Electrochemical sensors. Analytical Chemistry. 74 (12), 2781-2800 (2002).
- Jobst, G., et al. Thin-Film Microbiosensors for Glucose-Lactate Monitoring. Analytical Chemistry. 68 (18), 3173-3179 (1996).
- Matsumoto, T., Ohashi, A., Ito, N. Development of a micro-planar Ag/AgCl quasi-reference electrode with long-term stability for an amperometric glucose sensor. Analytica Chimica Acta. 462 (2), 253-259 (2002).
- Suzuki, H., Hirakawa, T., Sasaki, S., Karube, I. An integrated three-electrode system with a micromachined liquid-junction Ag/AgCl liquid-junction Ag/AgCl reference electrode. Analytica Chimica Acta. 387 (1), 103-112 (1999).
- Ives, D. J. G., Janz, G. J. . Reference Electrodes – theory and practice. , (1961).
- Huynh, T. M., Nguyen, T. S., Doan, T. C., Dang, C. M. Fabrication of thin film Ag/AgCl reference electrode by electron beam evaporation method for potential measurements. Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology. 10 (1), 015006 (2019).
- Katan, T., Szpak, S., Bennion, D. N. Silver/silver chloride electrode: Reaction paths on discharge. Journal of The Electrochemical Society. 120 (7), 883-888 (1973).
- Katan, T., Szpak, S., Bennion, D. N. Silver/silver chloride electrodes: Surface morphology on charging and discharging. Journal of The Electrochemical Society. 121 (6), 757-764 (1974).
- Polk, B. J., Stelzenmuller, A., Mijares, G., MacCrehan, W., Gaitan, M. Ag/AgCl microelectrodes with improved stability for microfluidics. Sensors and Actuators B: Chemical. 114 (1), 239-247 (2006).
- Mechaour, S. S., Derardja, A., Oulmi, K., Deen, M. J. Effect of the wire diameter on the stability of micro-scale Ag/AgCl reference electrode. Journal of The Electrochemical Society. 164 (14), E560-E564 (2017).
- Brewer, P. J., Leese, R. J., Brown, R. J. C. An improved approach for fabricating Ag/AgCl reference electrodes. Electrochimica Acta. 71, 252-257 (2012).
- Safari, S., Selvaganapathy, P. R., Derardja, A., Deen, M. J. Electrochemical growth of high-aspect ratio nanostructured silver chloride on silver and its application to miniaturized reference electrodes. Nanotechnology. 22 (31), 315601 (2001).
- Tjon, K. C. E., Yuan, J. Impedance characterization of silver/silver chloride micro-electrodes for bio-sensing applications. Electrochimica Acta. 320, 134638 (2019).
- Pargar, F., Kolev, H., Koleva, D. A., van Breugel, K. Microstructure, surface chemistry and electrochemical response of Ag | AgCl sensors in alkaline media. Journal of Materials Science. 53 (10), 7527-7550 (2018).
- Hassel, A. W., Fushimi, K., Seo, M. An agar-based silver | silver chloride reference electrode for use in micro-electrochemistry. Electrochemistry communications. 1 (5), 180-183 (1999).
