Overview
Source : Logan G. Kiefer, Andrew R. Falkowski, et Taylor D. Sparks, Department of Materials Science and Engineering, The University of Utah, Salt Lake City, UT
L'électroplaquage est un procédé qui utilise le courant électrique pour réduire les cations métalliques dissoutes afin qu'elles forment un revêtement mince sur une électrode. D'autres techniques de dépôt de film mince incluent le dépôt chimique de vapeur (CVD), le revêtement de spin, le revêtement de trempage, et le dépôt de sputter entre autres. CVD utilise un précurseur de phase gazeuse de l'élément à déposer. Le revêtement de spin écarte le précurseur liquide centrifugally. Le revêtement de trempette est semblable au revêtement de rotation, mais plutôt que de faire tourner le précurseur liquide, le substrat est complètement immergé en elle. Sputtering utilise du plasma pour enlever le matériau désiré d'une cible, qui plaque ensuite le substrat. Des techniques telles que les cvD ou les pulvérisations produisent des films de très haute qualité, mais le font très lentement et à un coût élevé puisque ces techniques nécessitent généralement une atmosphère sous vide et une petite taille d'échantillon. L'électrodéposition ne repose pas sur une atmosphère sous vide qui réduit considérablement le coût et augmente l'évolutivité. En outre, des taux relativement élevés de dépôt peuvent être atteints avec l'électrodéposition.
Principles
Les cellules galvaïques se composent de deux métaux différents reliés par un pont de sel ou une membrane poreuse. Ces cellules électrochimiques ont l'oxydation et la réduction des réactions de demi-cellule qui se produisent spontanément pour dériver l'énergie. L'électrodéposition inverse la cellule galvaïque en fournissant de l'énergie pour générer des réactions redox non spontanées pour plaquer une électrode avec un film mince. L'anode est faite de métal à plaquer et est oxydée en fournissant le courant direct. Cette oxydation à l'anode crée des ions qui se dissolvent et s'écoulent à travers la solution électrolytique, qui contient des sels métalliques et d'autres ions pour permettre le flux d'électricité. Les ions dissous sont réduits et plaqués sur la cathode. Les cellules électrochromiques modifient leur absorption optique lorsqu'elles sont soumises à une tension. Comme pour l'électroplaquage, la conduite des réactions redox électrochromiques permet à ces matériaux de passer entre les états blanchis et colorés, comme avec le matériau enduit prussien Bleu.
Le processus d'électroplaquage exige que les deux matériaux utilisés dans le processus soient comportementaux, car ces métaux et composés métalliques sont principalement utilisés. Pour que le placage soit réussi, la surface du matériau qui sera plaqué doit être complètement propre. La propreté de surface est assurée en trempant le matériau dans un acide fort ou en connectant brièvement le circuit d'électroplaquage à l'envers - si l'électrode est propre, les atomes du métal de placage se lieront efficacement à elle. Même si la surface est propre, un placage inefficace peut surgir lorsque les composants ont des géométries complexes, ce qui conduit à une distribution inégale de l'épaisseur du placage. L'épaisseur du placage peut être contrôlée en variant la durée du courant électrique entre les métaux et la résistance du courant appliqué entre les métaux. L'augmentation de l'un ou l'autre ou des deux augmentera l'épaisseur du placage. En contrôlant l'épaisseur du placage, les problèmes de placage résultant de géométries complexes peuvent être évités.
L'objectif de la technique proposée est d'électroporter une fine pellicule de bleu prussien sur une feuille de PET enduit par l'OIT, puis de mesurer la capacité du film à absorber et à transmettre la lumière à l'aide de la spectroscopie UV-Vis. Les données UV-Vis du film mince électrochromique dans l'état blanchi et coloré quantifieront les différences de couleur entre le film dans ces deux états. En outre, les films électrochromiques plus épais permettront d'atteindre un état de couleur plus profond, et donc d'absorber relativement plus de lumière par rapport aux films plus minces. Par conséquent, UV-Vis peut également être utilisé pour faire des comparaisons qualitatives d'épaisseur entre les films.
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Procedure
- Préparer la solution bleu prussien en mélangeant 50 ml d'acide chlorhydrique de 0,05 M (HCl), 100 ml de ferricyanide de potassium de 0,05 M (K3[Fe(CN)6]) et 100 ml de fer de 0,05 M(III) d'hexahydrate de chlorure (FeCl3,6H2O).
- Créez une anode en enveloppant environ 8 cm de fil nichrome (NiCr) dans une bobine serrée.
- Préparer le substrat cathodique en enlevant le revêtement extérieur qui protège le côté conducteur d'une feuille de 5X5 centimètres de PET enduit Par l'ITO.
- Construire le circuit en connectant le terminal positif d'une batterie de 9 volts (9V) en série à une résistance de 30 ohm, puis à l'anode NiCr à l'aide d'un clip d'alligator. Connectez l'extrémité négative de la batterie au substrat cathodique ITO à l'aide d'un clip d'alligator. Assurez-vous que la cathode et l'anode ne touchent pas à la solution.
- Après avoir préparé le circuit et la solution bleue prussienne, abaissez la cathode et anode dans la solution, en prenant soin de ne pas submerger l'un ou l'autre clip d'alligator. Tenir pendant 2 minutes, puis retirer et rincer à la fois la cathode et l'anode dans l'eau DI. Cette étape peut être répétée avec des temps de submersion variés pour varier l'épaisseur du revêtement.
- Analyser l'échantillon à l'aide du spectromètre UV-Vis DePer Elmer 950, en déterminant sa transmission de la lumière visible allant de la longueur d'onde de 750 à 400 nm. Assurez-vous d'analyser le niveau de fond de la transmission en scannant un échantillon de PET enduit par l'OIT qui n'a pas été recouvert de bleu prussien.
- Après avoir fait fonctionner l'échantillon de Bleu prussien dans l'UV-Vis, préparer une solution de 150 ml de chlorure de potassium de 1,0 M (KCl).
- Utilisez le même circuit et l'anode NiCr (en utilisant la batterie 9V en série), et un clip d'alligator supplémentaire pour connecter les deux côtés de la couche bleue prussienne au circuit. Submerger l'anode et la cathode dans la solution KCl pendant 1,5 minutes, entraînant la transition électrochromique de la couleur au blanchi.
- Ensuite, retirez et rincez à la fois la cathode et l'anode dans l'eau DI comme avant.
- Exécutez l'échantillon blanchi dans l'UV-Vis, en utilisant les paramètres de scat de transmission scat mentionnés ci-dessus.
L'électroplaquage est un procédé qui utilise le courant électrique pour réduire les cations métalliques dissoutes sur une surface d'électrode, formant un film mince. Les films fins sont une couche de matériau dont l'épaisseur varie de moins d'un nanomètre à plusieurs micromètres. Ces couches minces sont utilisées dans un large éventail d'applications, allant des cellules solaires aux sondes de biocapteurs, et fournissent des propriétés de surface modifiées avec un minimum de changement de volume. Cependant, il est essentiel que l'épaisseur du film mince soit cohérente et contrôlable. Il existe de nombreuses techniques de dépôt de films minces couramment utilisées pour déposer de façon contrôlable des films minces, et chacune a ses propres avantages et inconvénients. Dans cette vidéo, nous allons introduire la technique d'électroplaquage, et de démontrer comment former un film mince en utilisant cette méthode en laboratoire.
L'électroplaquage est effectué dans un ensemble comme une cellule galvaïque qui se compose de deux métaux différents, une anode et une cathode, relié s'un pont de sel ou une membrane poreuse. Ces cellules électrochimiques ont l'oxydation et la réduction des réactions de demi-cellule qui se produisent spontanément à chacune des électrodes métalliques, générant ainsi le courant électrique. L'électroplaquage repose sur un concept similaire. Cependant, il l'inverse en fournissant le courant, conduisant de ce fait les réactions non spontanées de redox. L'anode est faite du métal à plaquer et est oxydée, créant des ions dissous. Ces ions circulent à travers la solution électrolytique, qui contient des sels métalliques et d'autres ions qui permettent le flux d'électricité.
Les ions métalliques dissous sont ensuite réduits et plaqués sur la cathode. Le processus d'électroplaquage exige que les matériaux d'anode et de cathode soient conducteurs. Ainsi, les métaux sont généralement utilisés. L'épaisseur du placage est contrôlée en variant la durée et la résistance du courant électrique entre les électrodes. L'augmentation de l'un ou l'autre de ces paramètres ou les deux se traduira par des couches de placage plus épais. Maintenant que vous avez appris les rudiments de l'électroplaquage, nous allons démontrer la technique en placage un mince film du pigment foncé, bleu prussien, sur une feuille de polyester codé avec de l'oxyde d'étain indium, ou ITO.
Pour commencer, préparez la solution bleue prussienne. Le bleu prussien est un pigment produit par l'oxydation des sels de ferrocyanide. Mélanger 50 millilitres d'acide chlorhydrique molaire de 0,05, 100 millilitres de 0,05 hexacyanoferrate de potassium molaire (III) et 100 millilitres de 0,05 fer molaire (III) d'hexahydrate de chlorure. Maintenant, créez une anode en enveloppant environ huit centimètres de fil Nichrome dans une bobine serrée. Préparer la cathode en coupant d'abord le polyester recouvert d'ITO en un carré de cinq mètres sur cinq centimètres. Retirez ensuite le revêtement extérieur qui protège le côté conducteur du matériau.
Ensuite, construire le circuit en connectant le terminal positif d'une batterie de neuf volts en série avec une résistance de 30 kiloohm. Connectez-le ensuite à l'anode Nichrome à l'aide d'un clip d'alligator. Connectez l'extrémité négative de la batterie à la cathode ITO à l'aide d'un clip d'alligator. Assurez-vous que l'anode et la cathode ne sont pas toucher. Maintenant, abaissez la cathode et anode dans la solution bleue prussienne, en prenant soin de ne pas submerger les clips d'alligator. Maintenez la configuration dans la solution pendant une minute. Retirez et rincez ensuite les deux électrodes dans de l'eau déionisée. Répétez le processus avec de nouvelles électrodes ITO, chacune submergée pour différents temps de dépôt et tensions de la batterie.
Maintenant, nous allons analyser les différents films en utilisant la transmission en pourcentage de la lumière visible dans la gamme de 750 à 400 nanomètres via la spectroscopie UV-VIS. Tout d'abord, effectuer un balayage de fond à l'aide d'un substrat ITO qui n'a pas été recouvert de bleu prussien. Ensuite, mesurez la transmission en pourcentage des échantillons enduits bleus prussiens, soustrayant la transmission de fond de l'OIT vierge. Maintenant, comparez la transmission pour cent entre chacun des échantillons. Tout d'abord, jetons un coup d'oeil à l'heure de dépôt efficace. Ces échantillons ont été déposés pendant 30, 60 et 240 secondes. Le pourcentage de transmission était plus faible pour les échantillons dont les temps de dépôt étaient plus longs, ce qui indique des films plus épais. De même, les films déposés à des tensions plus élevées présentaient une transmission plus faible que ceux déposés à des tensions plus basses, ce qui indique la formation de films plus épais à des tensions plus élevées.
Les films minces avaient un large éventail d'applications dans l'ingénierie des matériaux et d'autres domaines de recherche. La technique d'électroplaquage peut être utilisée pour modeler des caractéristiques micro-échelle et l'épaisseur nano-échelle sur une surface. Ici, les chercheurs tournent photoresist enduit sur un substrat conducteur. Puis a modelé un treillis à micro-échelle à l'aide d'un masque à motifs maillés à l'aide de la lumière UV. Les motifs exposés aux UV ont ensuite été retirés à l'aide d'une solution de développeur pour révéler un motif de treillis de tranchées qui révèlent le substrat conducteur. Le cuivre a ensuite été électroplaqué sur la surface avec le film métallique se formant uniquement sur les parties conductrices du substrat et non sur le photoresist restant.
Après l'enlèvement du modèle de photoresist restant, un treillis de métal surélevé est resté, avec une épaisseur de moins de deux nanomètres. L'électroplaquage peut également être utilisé pour déposer des couches de matériaux biologiques sur une surface, améliorant ainsi la bio-compatibilité d'un capteur ou d'une sonde. Ici, une fine pellicule de chitosan a été déposée électro sur une cathode dorée à motifs. Chitosan, un polysaccharide, est soluble au-dessous du pH 6.3 et insoluble au-dessus du pH 6.3. L'électrolyse de l'eau à la cathode a induit une augmentation locale du pH, qui a causé la transition sol-gel du matériau, rendant le film déposé insoluble. Cela a permis son utilisation comme une surface bio-compatible pour l'adhérence enzymatique et le développement d'un capteur de glucose.
Vous venez de regarder l'introduction de JoVE à l'électroplaquage de films minces. Vous devez maintenant comprendre comment fonctionne le processus d'électroplaquage, comment il est effectué en laboratoire, ainsi que certaines applications de cette technologie. Merci d'avoir regardé.
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Results
Qualitativement, l'OIT enduit de bleu prussien deviendra transparent lorsqu'un potentiel négatif sera appliqué comme le montre la figure 1 ci-dessous. Ce changement peut être inversé en appliquant une tension positive.
Figure 1: Bleu prussien dans ses états colorés et blanchis.
Plus qualitativement, l'épaisseur de la couche déposée peut être modifiée et mesurée de différentes manières, y compris en modifiant la tension d'électrodéposition ou le temps d'électrodéposition. Pour le bleu prussien, différentes épaisseurs de couches affecteront la transmission en pourcentage de la lumière à travers l'échantillon. La relation entre la quantité de bleu prussien déposée sur l'OIT et le degré d'opacité peut être mesurée par spectrophotométrie UV-Visible et est indiquée dans les figures 2 et 3.
Figure 2: spectroscopie UV-Vis du bleu prussien dans son état coloré pour diverses tensions de dépôt électrochimique.
Figure 3: spectroscopie UV-Vis du bleu prussien dans son état coloré pour divers temps de dépôt électrochimique.
Les films déposés à une tension plus élevée ont vu une transmission inférieure pour cent que ceux déposés à une tension inférieure. Cela indique que les couches sont plus épaisses à des tensions plus élevées qu'à des tensions plus basses. En outre, les échantillons électrodéposés pendant de plus longues périodes ont vu des transmissions inférieures pour cent, indiquant encore une fois que les films sont plus épais à des temps de dépôt plus longs.
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Applications and Summary
L'électrodéposition, comme démontré dans cette expérience, permet la modification des propriétés de surface d'un matériaux dans un volume minimal. Dans le processus d'électrodéposition, un courant électrique est passé par une solution électrolytique entre une anode et une cathode. Les cations chargées positivement dans la solution d'électrolyte sont attirées et déposées sur la cathode chargée négativement. Une fois déposés, les atomes de la couche gagnent des électrons grâce au processus de réduction.
La vitesse et la quantité d'électrodéposition dépendent de la force du courant électrique appliqué entre la cathode et l'anode dans la solution d'électrolyte. En outre, les métaux utilisés dans l'électrodéposition doivent être choisis avec soin, car certains métaux s'allieront les uns avec les autres; dans ces cas, plusieurs couches métalliques doivent être déposées.
Parce que les cations sont chimiquement collées le substrat, l'électrodéposition a les avantages de l'expansion thermique unifiée, une meilleure résistance à la corrosion chimique, et une durabilité physique accrue. Un inconvénient du dépôt électrochimique comparé à d'autres méthodes de dépôt mince de film est la nécessité d'une surface conductrice sur le substrat avant le dépôt. En outre, le processus d'électrodéposition ne donne pas toujours un dépôt uniforme, ce qui provoque des incohérences dans le revêtement du matériau.
Electrodeposition a de nombreuses applications au-delà de dépôt prussien bleu. L'électrodéposition est largement utilisée dans l'industrie de la joaillerie car elle permet un haut degré de contrôle sur le processus de placage et permet des modifications esthétiques variées. Une grande variété de variations de couleur peut être réalisée en déposant différents métaux pour former des alliages avec des apparences uniques. En outre, les métaux peuvent être déposés d'une manière uniforme, ce qui réduit les incohérences de couleur et peut cacher la soudure et les lignes de composants. En utilisant l'électrodéposition, les bijoutiers sont en mesure de créer des revêtements métalliques fonctionnels et cohérents qui sont esthétiquement agréables.
L'électrodéposition est également utilisée dans l'industrie automobile. Les véhicules sont constamment soumis à des forces qui s'usent à des composants vitaux. L'électrodéposition permet de modifier et d'améliorer les propriétés de différentes pièces sans modifier le volume fonctionnel de la pièce. Le chrome déposé offre une protection supérieure à l'usure et à la corrosion pour les véhicules et permet aux voitures de durer plus longtemps avec des exigences minimales d'entretien et de réparation.
Dans l'industrie des semi-conducteurs, l'électrodéposition offre des avantages importants en matière de coûts, de fiabilité et d'environnement par rapport à la technologie classique d'évaporation et peut accueillir des tailles de gaufrettes très différentes. Le processus d'électrodéposition permet le dépôt sur des substrats fragiles et permet également un contrôle avancé de la forme ou de nouvelles fonctionnalités. L'électrodéposition offre un moyen d'échantillons uniques à peu de frais en utilisant une technologie facilement adaptée à la production industrielle.
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