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薄膜电镀

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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。

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