Summary
Detta dokument syftar till att presentera en metod för att bilda släta och välkontrollerade filmer av silverklorid (AgCl) med utsedda täckning ovanpå tunnfilm silver elektroder.
Abstract
Detta dokument syftar till att presentera ett protokoll för att bilda smidig och välkontrollerad filmer av silver / silverklorid (Ag / AgCl) med utsedda täckning ovanpå tunnfilm silver elektroder. Tunnfilms silverelektroder storlek 80 μm x 80 μm och 160 μm x 160 μm var sputtered på kvarts rån med ett krom /guld (Cr / Au) lager för vidhäftning. Efter passivisering, polering och katodiska rengöringsprocesser genomgick elektroderna galvanostatisk oxidation med hänsyn till Faradays elektrolys lag för att bilda släta lager av AgCl med en angiven grad av täckning ovanpå silverelektroden. Detta protokoll valideras genom inspektion av scanning elektronmikroskop (SEM) bilder av ytan av den tillverkade Ag / AgCl tunnfilm elektroder, som belyser funktionalitet och prestanda av protokollet. Sub-optimalt fabricerade elektroder tillverkas också för jämförelse. Detta protokoll kan användas i stor utsträckning för att tillverka Ag / AgCl elektroder med specifika impedanskrav (t.ex. sondering elektroder för impedans avkänning applikationer som impedans flöde cytometri och interdigitated elektrod arrayer).
Introduction
Ag/AgCl-elektroden är en av de mest använda elektroderna inom elektrokemi. Det används oftast som referenselektrod i elektrokemiska system på grund av dess enkel tillverkning, giftfri egenskap och stabil elektrodpotential1,,2,,3,4,5,6.
Forskare har försökt att förstå mekanismen för Ag / AgCl elektroder. Lagret av kloridsalt på elektroden har visat sig vara ett grundläggande material i den karakteristiska redoxreaktionen hos Elektroden Ag/AgCl i en klorid som innehåller elektrolyt. För oxidationsbanan kombineras silvret vid ojämnhetsplatserna på elektrodens yta med kloridjonerna i lösningen för att bilda lösliga AgCl-komplex, där de sprider sig till AgCls kanter som deponeras på elektrodens yta för nederbörd i form av AgCl. Reduktionsvägen innebär bildandet av lösliga AgCl-komplex med hjälp av AgCl på elektroden. Komplexen sprids till silverytan och reducerar tillbaka till elementärt silver7,8.
AgCl-skiktets morfologi är en central inverkan på ag/agcl-elektrodernas fysiska egenskap. Olika verk visade att den stora ytan är nyckeln till att bilda referens Ag / AgCl elektroder med mycket reproducerbara och stabila elektrod potentialer9,10,11,12. Därför har forskare undersökt metoder för att skapa Ag/AgCl-elektroder med en stor yta. Brewer et al. upptäckte att använda konstant spänning i stället för konstant ström för att tillverka Ag / AgCl elektroder skulle resultera i en mycket porös AgCl struktur, öka ytan av AgCl lager11. Safari et al. drog nytta av masstransport begränsning effekt under AgCl bildas på ytan av silver elektroder att bilda AgCl nanoblad ovanpå dem, öka ytan av AgCl lagret betydligt12.
Det finns en stigande trend att designa AgCl elektrod för avkänning applikationer. En låg kontakt impedans är avgörande för avkänning elektroder. Därför är det viktigt att förstå hur ytbeläggningen av AgCl skulle påverka dess impedansegenskap. Vår tidigare forskning visade att graden av AgCl täckning på silver elektroden har en central inverkan på impedans kännetecknande för elektrod / elektrolyt gränssnitt13. För att korrekt uppskatta kontaktimpedansen hos tunnfilmen Ag/AgCl-elektroder måste agcl-lagret vara smidigt och ha välkontrollerad täckning. Därför behövs en metod för att bilda jämna AgCl-lager med angivna grader av AgCl-täckning. Arbeten har gjorts för att åtgärda detta behov delvis. Brewer et al. och Pargar et al. diskuterade att en smidig AgCl kan uppnås med hjälp av en mild konstant ström, fabricera AgCl lagret ovanpå silver elektroden11,14. Katan et al. bildade ett enda lager AgCl på sina silverprover och observerade storleken på enskilda AgCl-partiklar8. Deras forskning fann att tjockleken på ett enda lager av AgCl är runt 350 nm. Syftet med detta arbete är att utveckla ett protokoll för att bilda fina och välkontrollerade filmer av AgCl med förutspådde impedansegenskaper ovanpå silverelektroder.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Tillverkning av ett Cr/Au-vidhäftningsskikt med lyftoff
- Spincoat HPR504 positiv fotoresist på 1,2 μm tjocklek på en kvarts wafer med en spridningshastighet på 1000 rpm för 5 s och en spinnhastighet på 4.000 rpm för 30 s.
- Softbake photoresisten på kvartsrån vid 110 °C i 5 min på en värmeplatta.
- Med hjälp av en mask aligner, exponera wafer så att platser för Cr / Au nedfall utsätts med ultraviolett (UV) ljus. Exponeringseffekttätheten och exponeringstiden är 16 mW/cm2 respektive 7,5 s (exponeringsenergitäthet = 120 mJ/cm2).
- Utveckla wafer genom att dränna den i positivt motstånd utvecklare FHD-5 i 1 min. Skölj wafer med avjoniserad (DI) vatten efter utvecklingsprocessen.
- Torka rånet med en kvävepistol (N2). Lägg wafer i en ugn i 5 min vid 120 °C.
- Med hjälp av elektronstråle (e-beam) avdunstning, deponera ett 5 nm Cr-lager, följt av ett 50 nm Au-lager på rånet. Depositionstaxor är 1 Å/s respektive 2 Å/s.
- Placera e-balken avdunstat wafer i en behållare. Häll riklig mängd aceton inuti.
- Stäng behållaren med lock. Placera den åtslade behållaren i ett ultraljudsrengöringsmedel i 10 min eller tills liftoff-processen är klar.
- Spola wafer med isopropanol (IPA) följt av DI vatten. Torka den med N2 pistol och ugn efteråt.
Protokollet kan pausas här.
2. Tillverkning av tunnfilm Ag elektroder på vidhäftningsskiktet med lyftoff
- Spincoat AZ P4620 positiv fotoresist på 7 μm tjocklek på rånet med en spridningshastighet på 1000 rpm för 5 s och en spinnhastighet på 4 000 varv/min för 30 s.
- Softbake fotoresisten på rånet vid 90 °C för 450 s på en kokplatta.
- Med hjälp av en mask aligner, exponera wafer så att platser för Ag nedfall exponeras med UV. Exponeringseffekttätheten och exponeringstiden är 16 mW/cm2 respektive 45 s (exponeringsenergitäthet = 720 mJ/cm2).
- Framkalla waferen, genom att submersing det i FHD-5 för 2 min. Skölj waferen med DI bevattnar efter utvecklingsprocessen.
- Torka rånet med en N2 pistol. Lägg wafer i en ugn i 5 min vid 120 °C.
- Sputter ett 1 μm Ag lager på rånet. Sputteringhastigheten är ~86 nm/min.
- Placera den sputtered wafer i en behållare. Häll riklig mängd aceton inuti.
- Stäng behållaren med lock. Placera den åtslade behållaren i ett ultraljudsrengöringsmedel i 10 min eller tills liftoff-processen är klar.
- Spola wafer med IPA följt av DI vatten. Torka den med N2 pistol och ugn efteråt.
3. Passivation av rånet för att endast exponera elektroder och kontaktkuddar
- Passivate hela wafer ytan med en 2 μm kiseldioxid (SiO2)lager med hjälp av plasma förbättrad kemisk ånga nedfall (PECVD).
- Passivate ett litet silikonprov (ett kiselrånfragment) tillsammans wafer samtidigt.
- Mät tjockleken på provdockans oxidskikt.
Protokollet kan pausas här.
- Spincoat AZ 5214E dual tone photoresist av 1,4 μm tjocklek på rånet med en spridningshastighet på 1000 rpm för 5 s och en spinnhastighet på 3000 rpm för 30 s.
- Softbake fotoresisten på rånet vid 90 °C för 150 s på en kokplatta.
- Med hjälp av en mask aligner, exponera wafer så att platserna för pad öppning exponeras med UV. Exponeringseffekttätheten och exponeringstiden är 16 mW/cm2 respektive 2,25 s (exponeringsenergitäthet = 36 mJ/cm2).
- Framkalla waferen, genom att submersing det i FHD-5 för 75 s. Skölj waferen med DI bevattnar efter utvecklingsprocessen.
- Efter att kort ha torkat2 rånet med N 2-kanonen, ytterligare torr och hård baka wafer i en ugn i 15 min vid 120 °C.
- Utför avskum av fotoresist på wafer i 1 min med hjälp av en plasma asher för att säkerställa fullständig borttagning av oönskade fotoresist.
- Utför reaktiv jonetsning på rånet och provdockan för att exponera tunnfilmselektroderna och kontaktkuddarna.
- Efter att ha utfört etsningsprocessen under en kort tidsperiod (t.ex. 5-10 min), stoppa operationen och ta ut provdockan.
- Mät tjockleken på oxidskiktet ovanpå provdockan. Jämför det med det resultat som erhålls i steg 3.1.2.
- Beräkna hastigheten på SiO2 etsning av maskinen för att finjustera etsningstiden för att uppnå en 10% overetch.
- Fortsätt etsningsprocessen utan provdockan.
- Motstå remsan av etsad wafer genom plasmaaskning i 30 min, följt av en positiv fotoresist strippa MS2001 bad vid 70 °C i 5 min.
- Spola wafer med DI vatten. Torka rånet med N2 pistol och ugn.
Protokollet kan pausas här.
4. Förberedelse för tillverkning av tunnfilm Ag/ AgCl elektroder (chip)
- Tärningar skär rånet för att få olika testchips.
- Polera elektrodytorna på spånorna med hjälp av fint sandpapper.
- Bind kontaktkuddarna på chipet till ett externt kretskort för gränssnitt i ytterligare steg.
- 3D-print en akryl ihålig rektangulär behållare för att hålla elektrolyt på tunnfilm elektroder. Måtten på den rektangulära behållaren bör tillåta placering av en tråd och en pipett inuti tomrummet bekvämt.
- Blanda en liten mängd polydimetylsiloxan (PDMS) prepolymer och dess härdningsmedel noggrant. Förhållandet bör vara 10:1.
OBS: Det är mycket vanligt att avgasa PDMS blandningen för att få högkvalitativa PDMS-enheter; Det behövs dock inte i detta fall eftersom blandningen endast används som ett lim. - Placera akrylbehållaren på det tärnade chippet på ett sätt så att alla silverelektroder är inuti behållarens hålighet.
- Med hjälp av en tandpetare eller en fin stav, smeta den oskyddade PDMS blandningen på den yttre kanten där behållaren och chipet vidrör varandra.
- Placera chippet försiktigt på en plan värmeplatta och härda PDMS i 2 timmar vid 80 °C eller tills behållaren sitter fast ordentligt på chippet.
5. Förberedelse för tillverkning av tunnfilm Ag/AgCl elektroder (reagenser)
- Använd DI-vatten och koncentrerad saltsyra (HCl) och få 0,01 M HCl-lösning.
- Använd DI-vatten- och kaliumkloridpulver (KCl) och få 3,5 M KCl-lösning och 0,1 M KCl-lösning.
Protokollet kan pausas här.
6. Förberedelse för tillverkning av tunnfilm Ag/AgCl elektroder (makroelektroder)
- Skär några silvertrådar.
- Polera ytan av silvertrådarna med fint sandpapper.
- Dränka 80% av silvertrådarna till hushållsblekmedel i 1 h.
OBS: Färgen på tråden kommer att ändras från silvrig till mörklila. Detta visar bildandet av AgCl på ytan av silvertråden. - Spola Ag/AgCl-ledningen med DI-vatten.
- Gör en Ag/AgCl-referenselektrod med en av Ag/AgCl-trådarna som refererar till Hassel et al. med ändringar15.
OBS: Modifieringarna använder en pipett istället för en glaskapillär, med 3,5 M KCl som elektrolyt, dikning av polymerblocket och den guldpläterade kontakten och ersätt den med parafilm. - Förvara Ag/AgCl-elektroderna genom att dränka dem i 3,5 M KCl-lösning. Se till att silverdelen inte kommer i kontakt med lösningen.
- Skär flera bitar av Ag / AgCl trådar och lägg dem i KCl lösningar som nämns i steg 5.2.
Protokollet kan pausas här.
- Skär flera bitar av Ag / AgCl trådar och lägg dem i KCl lösningar som nämns i steg 5.2.
7. Katadisk rengöring av mikro Ag elektroder
OBS: Alla följande processer använder CHI660D elektrokemiska analysator / arbetsstation och dess medföljande programvara.
- Spola chipet med IPA följt av DI-vatten.
- Häll 0,01 M HCl-lösning i akrylbehållaren.
- Torka bort makrot Ag/AgCl-referenselektrodens pipettutsida (tillverkad i steg 6.5) och en makro Ag/AgCl-elektrod (tillverkad i steg 6.3) med hjälp av laboratorierens våtservetter.
- Anslut chipet och makroelektroderna till analysatorn så att en tunn film Ag-elektroden på chipet definieras som arbetselektroden, makrot Ag/AgCl referenselektroden definieras som referenselektroden och det nakna makrot Ag/AgCl-elektroden definieras som motelektroden.
- Placera makroelektroderna i behållaren. Använd blu-tack som locket på behållaren för att förankra makroelektroderna.
- Placera inställningarna i en Faraday-bur.
- I CHI660D-programvaran klickar du på fliken Installation längst upp till vänster i fönstret. Klicka sedan på Teknik | Amperometric i-t-kurva | OK att utföra katodisk rengöring av elektroderna.
- I popup-menyn ändrar du parametrarna för katodisk rengöring.
- Ställ in Init E (V) som -1,5.
- Ange exempelintervallet (sek) som 0,1 (standard).
- Ange körtid (sek) som 900.
- Ange att tyst tid (sek)ska vara 0 (Standard).
- Ange skalorna under Kör som 1 (standard).
- Ställ in känsligheten (A/V) på lämpligt sätt. För en elektrod på 80 μm x 80 μm, ställ in den som 1e-006.
- Tryck på OK. Starta processen genom att trycka på Start-ikonen under menyraden.
- Låt experimentet springa och avsluta.
- Öppna Faraday-buren.
- Ta bort makroreferensen och motelektroden. Torka torrt ytor.
- Häll den använda elektrolyten i en avfallsbehållare. Spola akrylbehållaren med DI-vatten.
8. Tillverkning av ett lager AgCl ovanpå den tunna filmen Ag elektroder
- Häll 0,1 M KCl-lösning i akrylbehållaren.
- Anslut chipet och makroelektroderna till analysatorn så att den rengjorda tunna filmen Ag-elektroden på chipet definieras som arbetselektroden, makrot Ag/AgCl referenselektrod definieras som referenselektroden och det nakna makrot Ag/AgCl-elektroden definieras som motelektroden.
- Placera makroelektroderna i behållaren. Använd blu-tack som locket på behållaren för att förankra makroelektroderna.
- Placera inställningarna i en Faraday-bur.
- I CHI660D-programvaran klickar du på fliken Installation längst upp till vänster i fönstret och klickar sedan på Teknik | Chronopotentiometri | OK att utföra galvanostatisk tillverkning av ett lager AgCl på silver elektroder.
- Ändra parametrarna för en sådan process på popup-menyn.
- Ange katodström (A) som 0 (standard).
- Ställ in den anodiska strömmen (A) så att strömtätheten på tunnfilmselektroden är 0,5 mA/cm2.
- Behåll gränsen Hög och Låg E och Håll tid som standard.
- Ställ in katodtiden (sek) som 10 (standard).
- Ställ in den anodiska tiden (sek) på motsvarande sätt för att uppnå den grad av AgCl-täckning som behövs.
OBS: Med hänvisning till Faradays lagen om elektrolys är den tid som behövs för 100% täckning 262 s. Den tid som behövs varierar linjärt med täckningsprocenten. - Ställ in den inledande polariteten som anodisk.
- Ange datalagringsintvl (sek) som 0,1 (standard).
- Ange antalet segment som 1 (standard).
- Ange aktuell växlingsprioritet som tid.
- Avmarkera extrasignalinspelningen vid provintervall > = 0,0005s (standard).
- Tryck på OK. Starta processen genom att trycka på Start-ikonen under menyraden.
- Låt experimentet springa och avsluta.
- Öppna Faraday-buren.
- Ta bort makroreferensen och motelektroden. Torka torrt ytor.
- Dränka makroelektroderna i 3,5 M KCl-lösning för lagring.
- Häll den använda elektrolyten i en avfallsbehållare. Spola behållaren med DI-vatten.
- Täck öppningen av akrylbehållaren med hjälp av parafilm för vidare bearbetning.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 1 visar en 80 μm x 80 μm Ag/AgCl elektrod med en designad AgCl-täckning på 50% tillverkad enligt detta protokoll. Vid observation är agcl-plåstrets yta ca 68 μm x 52 μm, vilket motsvarar cirka 55% av AgCl-täckningen. Detta visar att protokollet fint kan kontrollera mängden AgCl täckning på den tunna filmen Ag elektroder. AgCl-lagret tillverkas också mycket smidigt, vilket framgår av klumpar av intilliggande AgCl-partiklar. Dessutom är lagret av AgCl bara ett enda lager, vilket bevisas av frånvaron av staplade AgCl partiklar och en distinkt Ag / AgCl korsning. Figur 2 visar mer framgångsrika exempel på tunnfilm Ag/AgCl elektroder tillverkade med detta protokoll, som är 80 μm x 80 μm elektroder med en utsedd AgCl täckning på 70% och 30%, tillsammans med 160 μm x 160 μm elektroder med en utsedd AgCl täckning på 75% och 90%, bekräftar robustheten i detta protokoll.
Figur 1: Exemplar SEM bild av tunnfilm ag/agcl elektrod med en dimension på 80 μm x 80 μm och utsedda AgCl täckning av 50%. Den observerade AgCl-täckningen är 55%, vilket visar protokollets effektivitet. Denna siffra har ändrats från Tjon et al.13. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: Exemplar SEM bilder av tunnfilm Ag / AgCl elektroder med olika elektrod områden och AgCl täckningar. (A) 80 μm x 80 μm med 70% AgCl täckning. (B) 80 μm x 80 μm med 30% AgCl täckning. (C) 160 μm x 160 μm med 75% AgCl täckning. (D)160 μm x 160 μm med 90% AgCl täckning. Dessa siffror har ändrats från Tjon et al.13. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3 illustrerar ett negativt resultat där polersteget utelämnas (dvs. steg 4.2). Figur 3A visar en polerad elektrodyta medan figur 3B visar en opolerad elektrodyta. För den opolerade elektroden kan fingerliknande strukturer observeras på ytan, vilket illustreras i figur 4, där den polerade elektrodytan är slät med mindre repor som orsakas av poleringsprocessen. Figur 5 visar en opolerad 80 μm x 80 μm Ag/AgCl-elektrod med en konstruerad AgCl-täckning på 50%. Genom observation är området för den glest täckta AgCl endast ca 40 μm x 40 μm, vilket är 25% av den skenbara elektrodytan. Jämfört med figur 1 där protokollet följs korrekt, verkar agcl bildas för den opolerade elektroden vara infälld inåt i stället för att sticka ut utåt.
Figur 3: SEM-bilder för nakna silverelektroder. aA) Polerad 160 μm x 160 μm elektrod (B)Opolerad 40 μm x 40 μm elektrod. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Bild 4: Zoomad SEM-bild för opolerade silverelektroder. Fingerliknande strukturer kan observeras. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5: Suboptimal tillverkning av tunnfilm Ag/AgCl elektroder. Utan polering är graden av täckning av den bildade AgCl på elektrodens yta mindre än det förväntade värdet. Den konstruerade AgCl-täckningen för denna 80 μm x 80 μm tunnfilms silverelektrod är 50% men den faktiska täckningen är endast 25%. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De fysiska egenskaperna hos en Ag/AgCl-elektrod styrs av morfologin och strukturen hos den AgCl som deponeras på elektroden. I detta dokument presenterade vi ett protokoll för att exakt kontrollera täckningen av ett enda lager av AgCl på ytan av silverelektroden. En integrerad del av protokollet är en modifierad form av Faradays lagen om elektrolys, som används för att kontrollera graden av AgCl på tunnfilmen silver elektroder. Det kan skrivas som:
Om X är tjockleken på ett enda AgCl-lager i cm (350 nm = 3,5 x 10-5 cm); P% är andelen AgCl täckning på ytan av Ag elektroden (100% = full täckning); j är den applicerade strömtätheten i A/cm2 (0,5 mA/cm2), M är molarvikten för AgCl (143,5 g/mol), t är varaktigheten av anodisering i s (262 s för 100% täckning); F är Faradays konstant (~96485 C/mol); D är densiteten hos AgCl (5,56 g/cm3). För att protokollet ska lyckas måste flera kritiska steg i protokollet följas. Steg 4.2, som handlar om polering av ytan av tunnfilmen silver elektrod, är avgörande för att definiera ytan av elektroden innan galvanostatisk bildning av AgCl på elektrodytan. Från figur 3 och figur 4kan skillnaden i ytstruktur och ojämnhet hos de tunna silverelektroder som tillverkas av sputtering tydligt ses. den opolerade silverytan har fingerliknande strukturer, medan den polerade silverytan mestadels är slät med mindre repor som orsakas av sandpappersgnidning. Detta skapar ett stort problem eftersom finger-liknande strukturer effektivt ökar ytan av elektroden. Detta gör bestämningen av elektrodens yta och därefter graden av AgCl-täckning på elektroden omöjlig. Effekten av detta illustreras väl i figur 1 och figur 5. Den protokollkompatibla Ag/AgCl-elektroden har ett jämnt, enda lager AgCl med en välkontrollerad AgCl-täckning, medan elektroden utan att observera polersteget har en överskattad täckning av AgCl på elektroden. Steg 8.6.2, som handlar om användningen av en konstant strömtäthet på 0,5 mA/cm2 för att bilda AgCl-lagret på tunnfilmen Ag elektrod, är avgörande för att skapa ett smidigt AgCl-lager med enskiktstjocklek. Nybildade AgCl insättningar vid kanterna av befintliga AgCl på ytan på grund av dess låga energi7,8. Detta gör att AgCl-partiklarna kan bilda ett enda lager först innan de blir tjockare. Men om en hög strömdensitet appliceras under den galvanostatiska bildandet av AgCl-skiktet, kan den nybildade AgCl ha tillräckligt med energi för att bilda direkt på elektroden än längs de befintliga AgCl-kanterna, vilket skapar en grövre AgCl-yta14. Detta gör att graden av AgCl-täckning på elektroden inte kan kontrolleras eftersom AgCl-formationsplatserna inte kan förutsägas under sådant tillstånd. Detta gör också bestämningen av AgCl-ytan omöjlig eftersom dess ojämnhet påverkar ytan, vilket visade sig påverka elektrodens impedansegenskaper i vårt tidigare arbete13.
Det finns flera sätt att felsöka om ett enda lager av AgCl bildas korrekt. För det första, för att kontrollera om polersteget utförs framgångsrikt. Provet ska observeras under ett SEM-mikroskop utan guldbeläggning efter polersteget för att se om fingerstrukturen ersätts med en slät yta. Dessutom, när ytan av elektroden är helt täckt med AgCl, ytterligare galvanostatisk oxidation kommer att orsaka en plötslig ökning av den applicerade potentialen till systemet som förtjockning av AgCl ökar ohmic motstånd AgCl skiktet. Detta kan användas för att avgöra om elektrodens yta redan är helt täckt med AgCl.
Det finns en stor begränsning när det gäller användningen av denna metod för att tillverka tunnfilm Ag / AgCl elektroder med god kontroll av AgCl täckning. Elektroder som tillverkas med denna metod kan inte omarbetas. Under processen för galvanostatisk oxidation av silverelektroden för att bilda AgCl-insättningsskiktet kommer platserna för ofullkomlighet på elektrodens yta att växa i storlek på ett oförutsägbart sätt. Om elektroden reduceras för att återgå AgCl tillbaka till Ag, kan den inte garantera att dessa platser vid elektrodytan kommer att fyllas tillbaka som den var. Istället kommer ytan att bli grövre. Om ytan är re-polerad med sandpapper efter ett försök omarbetningar, kommer en del silver tas bort från ytan under polering. Därför kan man bara göra detta för ett par gånger innan det underliggande guldlagret blir exponerat.
Denna metod, jämfört med typiska Ag / AgCl elektrod tillverkningsmetoder, fokuserar på en fin kontroll av täckningen av AgCl på ytan av den tunna filmen Ag elektrod, medan andra metoder fokuserar på att skapa en porös lager av AgCl. Från det bästa av författarens kunskap, är detta första gången ett protokoll utvecklas för att tillverka ett enda lager fint kontrollerade AgCl ovanpå en silver elektrod. Detta beror på olika designmål. De flesta tidigare verk syftade till att uppnå en referens Ag / AgCl elektrod med hög elektrod potentiell stabilitet, medan vårt protokoll syftar till att utforma avkänning Ag / AgCl elektrod med låg kontakt impedans för impedans avkänning system, såsom impedans flöde cytometrar och interdigitated elektrod arrayer.
Framtida experiment kan inkludera ett mer sofistikerat polersteg, till exempel med hjälp av ett polersystem för att uppnå en ännu jämnare yta. Ytterligare undersökningar kan också utföras för att utvärdera det kvantitativa förhållandet mellan tjockleken på AgCl-skiktet och faradays ekvation av elektrolys.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har inget att avslöja.
Acknowledgments
Detta arbete stöddes av ett bidrag från RGC-NSFC:s gemensamma fond som sponsrades av Forskningsbidragsrådet i Hong Kong (projekt nr N_HKUST615/14). Vi vill bekräfta Nanosystem Fabrication Facility (NFF) av HKUST för enheten / systemtillverkning.
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
- 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. , Academic Press. London. (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).
