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Electroplaquage des films minces

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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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