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Eletroplaping de Filmes Finos

Overview

Fonte: Logan G. Kiefer, Andrew R. Falkowski, e Taylor D. Sparks, Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais, Universidade de Utah, Salt Lake City, UT

A eletroplacar é um processo que usa corrente elétrica para reduzir as placas metálicas dissolvidas para formar um revestimento fino em um eletrodo. Outras técnicas finas de deposição de filmes incluem deposição de vapor químico (DCV), revestimento de spin, revestimento de mergulho e deposição de sputter, entre outras. A DCV usa um precursor da fase gasosa do elemento a ser depositado. O revestimento de spin espalha o precursor líquido centrífugas. O revestimento de mergulho é semelhante ao revestimento de spin, mas em vez de girar o precursor líquido, o substrato está completamente submerso nele. Sputtering usa plasma para remover o material desejado de um alvo, que então placas do substrato. Técnicas como DCV ou sputtering produzem filmes de alta qualidade, mas o fazem muito lentamente e a alto custo, já que essas técnicas normalmente requerem uma atmosfera de vácuo e um pequeno tamanho de amostra. A eletroposição não depende de uma atmosfera de vácuo que reduz muito o custo e aumenta a escalabilidade. Além disso, taxas relativamente altas de deposição podem ser alcançadas com a eletrodeposição.

Principles

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As células galvânicas consistem em dois metais diferentes conectados por uma ponte salgada ou membrana porosa. Essas células eletroquímicas têm oxidação e redução de reações semi-celulares que ocorrem espontaneamente para derivar energia. A eletroposição inverte a célula galvânica fornecendo energia para conduzir reações redox não espontâneas à placa de um eletrodo com uma película fina. O ânodo é feito do metal a ser banhado e é oxidado fornecendo corrente direta. Essa oxidação no ânodo cria íons que dissolvem e fluem através da solução eletrolítica, que contém sais metálicos e outros íons para permitir o fluxo de eletricidade. Os íons dissolvidos são reduzidos e banhados no cátodo. As células eletrocrômicas alteram sua absorção óptica quando submetidas a uma tensão. Assim como na eletroplaca, a condução de reações de redox eletrocrômico permite que esses materiais transitem entre estados branqueados e coloridos, como acontece com o material revestido Azul Prussiano.

O processo de eletroplaca requer que ambos os materiais utilizados no processo sejam condutores, uma vez que tais metais e compostos metálicos são usados principalmente. Para que o revestimento seja bem sucedido, a superfície do material que será banhado precisa ser completamente limpa. A limpeza da superfície é garantida mergulhando o material em um ácido forte ou conectando brevemente o circuito de eletroplacamento ao contrário - se o eletrodo estiver limpo, os átomos do metal de revestimento se ligarão a ele efetivamente. Mesmo que a superfície esteja limpa, o revestimento ineficaz pode resultar quando os componentes têm geometrias complexas, o que leva a uma distribuição desigual da espessura do revestimento. A espessura do revestimento pode ser controlada variando a duração da corrente elétrica entre os metais e a resistência da corrente aplicada entre os metais. Aumentar ou ambos aumentará a espessura do revestimento. Controlando a espessura do revestimento, questões de chapeamento resultantes de geometrias complexas podem ser evitadas.

O objetivo da técnica proposta é eletroplacar uma película fina de Azul Prussiano em uma folha de PET revestido de ITO, e então medir a capacidade do filme de absorver e transmitir luz usando espectroscopia UV-Vis. Os dados UV-Vis da película fina eletrocrômica no estado branqueado e colorido quantificarão as diferenças de cor entre o filme nesses dois estados. Além disso, filmes eletrocrômicos mais espessos alcançarão um estado colorido mais profundo e, portanto, absorverão relativamente mais luz quando comparados a filmes mais finos. Portanto, UV-Vis também pode ser usado para fazer comparações qualitativas de espessura entre filmes.

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Procedure

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  1. Prepare a solução azul prussiana misturando 50 mL de ácido clorídrico de 0,05 M (HCl), 100 mL de 0,05 M de ferricyanida de potássio (K3[Fe(CN)6] ]),e 100 mL de hexaidrate de cloreto de ferro de 0,05 M (III) (FeCl3.6H2O).
  2. Crie ânodo embrulhando aproximadamente 8 cm de fio nichrome (NiCr) em uma bobina apertada.
  3. Prepare o substrato do cátodo removendo o revestimento externo que protege o lado condutor de uma folha de 5X5 centímetros de PET revestido de ITO.
  4. Construa o circuito conectando o terminal positivo de uma bateria de 9 volts (9V) em série a um resistor de 30 ohm e, em seguida, ao ânodo NiCr usando um clipe de jacaré. Conecte a extremidade negativa da bateria ao substrato de cátodo ITO usando um clipe de jacaré. Certifique-se de que o cátodo e o ânodo não estejam tocando na solução.
  5. Depois de preparar o circuito e a solução azul prussiana, baixe o cátodo e o ânodo na solução, tomando cuidado para não submergir nenhum dos clipes de jacaré. Segure por 2 minutos, depois retire e enxágue tanto o cátodo quanto o ânodo em água DI. Este passo pode ser repetido com tempos variados de submersão para variar a espessura do revestimento.
  6. Analise a amostra usando o espectrômetro Perkin Elmer Lambda 950 UV-Vis, determinando sua transmissão de luz visível variando em comprimento de onda de 750-400 nm. Certifique-se de analisar o nível de fundo de transmissão escaneando uma amostra PET revestida de ITO que não foi revestida com azul prussiano.
  7. Depois de executar a amostra azul prussiana no UV-Vis, prepare uma solução de 150 mL de cloreto de potássio de 1,0 M (KCl).
  8. Use o mesmo circuito e o ânodo NiCr (usando a bateria 9V em série), e um clipe adicional de jacaré para conectar ambos os lados da camada Azul Prussiana ao circuito. Submergir o ânodo e o cátodo na solução KCl por 1,5 minutos, conduzindo a transição eletrocrômica de colorido para branqueado.
  9. Em seguida, remova e enxágue tanto o cátodo quanto o ânodo em água DI como antes.
  10. Execute a amostra branqueada nos UV-Vis, utilizando os parâmetros de scat de transmissão acima mencionados.

Eletroplacar é um processo que usa corrente elétrica para reduzir as áções metálicas dissolvidas em uma superfície eletrodo, formando uma película fina. Filmes finos são uma camada de material que varia em espessura de menos de um nanômetro a vários micrômetros. Estes filmes finos são usados em uma ampla gama de aplicações, que vão desde células solares até sondas biosensoras, e fornecem propriedades de superfície modificadas com mínima mudança de volume. No entanto, é essencial que a espessura do filme fino seja consistente e controlável. Existem muitas técnicas diferentes de deposição de filmes finos comumente usadas para depositar filmes finos, e cada uma tem seus próprios benefícios e desvantagens. Neste vídeo, vamos introduzir a técnica de eletroplacar, e demonstrar como formar uma película fina usando este método em laboratório.

A eletroplacar é realizada em uma configuração como uma célula galvânica que consiste em dois metais diferentes, um ânodo e um cátodo, conectados por uma ponte salgada ou membrana porosa. Essas células eletroquímicas têm oxidação e redução de reações semi-celulares que ocorrem espontaneamente em cada um dos eletrodos metálicos, gerando corrente elétrica. A eletroplacar se baseia em um conceito semelhante. No entanto, inverte-o fornecendo corrente, conduzindo reações redox não espontâneas. O ânodo é feito do metal a ser banhado e é oxidado, criando íons dissolvidos. Esses íons fluem através da solução eletrolítica, que contém sais metálicos e outros íons que permitem o fluxo de eletricidade.

Os íons metálicos dissolvidos são então reduzidos e banhados no cátodo. O processo de eletroplacar requer que tanto os materiais do ânodo quanto do cátodo sejam condutores. Assim, os metais são tipicamente usados. A espessura do revestimento é controlada variando a duração e a resistência da corrente elétrica entre os eletrodos. O aumento desses parâmetros resultará em camadas de revestimento mais grossas. Agora que você aprendeu o básico da eletroplating, vamos demonstrar a técnica emplacando um filme fino do pigmento escuro, azul prussiano, em uma folha de poliéster codificado com óxido de lata de índio, ou ITO.

Para começar, prepare a solução azul prussiana. Azul prussiano é um pigmento produzido pela oxidação de sais ferrociídeos. Misture 50 mililitros de ácido clorídrico molar de 0,05, 100 mililitros de 0,05 hexacianoferato de potássio molar (III) e 100 mililitros de 0,05 hexahidrato de ferro molar (III). Agora, crie um ânodo embrulhando cerca de oito centímetros de fio nichrome em uma bobina apertada. Prepare o cátodo cortando primeiro o poliéster revestido de ITO em um quadrado de cinco por cinco centímetros. Em seguida, remova o revestimento externo que protege o lado condutor do material.

Em seguida, construa o circuito conectando o terminal positivo de uma bateria de nove volts em série com um resistor de 30 quiloohm. Em seguida, conecte-o ao ânodo Nichrome usando um clipe de jacaré. Conecte a extremidade negativa da bateria ao cátodo ITO usando um clipe de jacaré. Certifique-se de que o ânodo e o cátodo não estão tocando. Agora, abaixe o cátodo e o ânodo na solução azul prussiana, tomando cuidado para não submergir os clipes de jacaré. Segure a configuração na solução por um minuto. Em seguida, remova e enxágue os dois eletrodos em água desionizada. Repita o processo com novos eletrodos ITO, cada um submerso para diferentes tempos de deposição e tensões de bateria.

Agora vamos analisar os vários filmes usando por cento de transmissão de luz visível na faixa de 750 a 400 nanômetros através de espectroscopia UV-VIS. Primeiro, realize uma varredura de fundo usando um substrato ITO que não tenha sido revestido com azul prussiano. Em seguida, meça a transmissão percentual das amostras revestidas de azul prussiano, subtraindo a transmissão de fundo da OTO em branco. Agora compare a porcentagem de transmissão entre cada uma das amostras. Primeiro, vamos dar uma olhada no tempo efetivo de depoimento. Estas amostras foram depositadas por 30, 60 e 240 segundos. A transmissão percentual foi menor para amostras com tempos de deposição mais longos, indicando filmes mais espessos. Da mesma forma, os filmes depositados em tensões mais altas apresentaram menor transmissão do que aquelas depositadas em tensões mais baixas, indicando a formação de filmes mais espessos em tensões mais altas.

Filmes finos tinham uma ampla gama de aplicações em engenharia de materiais e outros campos de pesquisa. A técnica de eletroplacamento pode ser usada para padronizar características de microes escala e espessura nano-escala em uma superfície. Aqui, os pesquisadores giram fotoresist revestido em um substrato condutor. E então padronou uma rede de microescala usando uma máscara com padrão de malha usando luz UV. O padrão exposto por UV foi então removido usando a solução do desenvolvedor para revelar um padrão de rede de trincheiras que revelam o substrato condutor. O cobre foi então eletroplatado na superfície com a filme de metal formando-se apenas nas partes condutoras do substrato e não no fotoresist restante.

Após a remoção do padrão fotoresistista restante, permaneceu uma rede de metal elevado, com uma espessura de menos de dois nanômetros. A eletroplacar também pode ser usada para depositar camadas de materiais biológicos em uma superfície, melhorando assim a biocompatibilidade de um sensor ou sonda. Aqui, um filme fino de chitosan foi depositado em um cátodo de ouro estampado. Chitosan, um polissacarídeo, é solúvel abaixo do pH 6.3 e insolúvel acima do pH 6.3. A eletrólise de água no cátodo induziu um aumento local no pH, o que causou a transição sol-gel do material, tornando o filme depositado insolúvel. Isso permitiu seu uso como uma superfície biocompatível para a adesão enzimática e o desenvolvimento de um sensor de glicose.

Você acabou de assistir a introdução de JoVE à eletroplação de filmes finos. Agora você deve entender como funciona o processo de eletroplacar, como ele é realizado no laboratório, bem como algumas aplicações dessa tecnologia. Obrigado por assistir.

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Results

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Qualitativamente, o ITO revestido em azul prussiano, se tornará transparente quando um potencial negativo for aplicado conforme mostrado na Figura 1 abaixo. Esta mudança pode ser revertida aplicando uma tensão positiva.

Figure 1
Figura 1: Azul Prussiano em seus estados coloridos e branqueados.

Mais qualitativamente, a espessura da camada depositada pode ser alterada e medida de várias maneiras, incluindo alterando a tensão de eletrodeposição ou o tempo de eletrodeposição. Para o azul prussiano, as espessuras variadas da camada afetarão a transmissão percentual de luz através da amostra. A relação entre a quantidade de azul prussiano depositada na OTO e o grau de opacidade pode ser medida através da espectrofotometria UV-Visível e é mostrada nas Figuras 2 e 3.

Figure 2
Figura 2: Espectroscopia UV-Vis do azul prussiano em seu estado colorido para várias tensões de deposição eletroquímica. 

Figure 3
Figura 3: Espectroscopia UV-Vis do Azul Prussiano em seu estado colorido para vários tempos de deposição eletroquímica.

Filmes depositados em uma tensão mais alta viram uma transmissão percentual menor do que aquelas depositadas em uma tensão mais baixa. Isso indica que as camadas são mais grossas em tensões mais altas do que em tensões mais baixas. Além disso, amostras eletrodepositadas por mais tempo viram transmissões de menor percentual, indicando novamente que os filmes são mais espessos em tempos de deposição mais longos.

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Applications and Summary

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A eletrodeposição, como demonstrado neste experimento, permite a modificação de uma superfície de materiais propriedades dentro de uma mudança mínima no volume. No processo de eletrodeposição, uma corrente elétrica é passada através de uma solução eletrolítica entre um ânodo e um cátodo. Os cáations carregados positivamente na solução de eletrólitos são atraídos e depositados no cátodo carregado negativamente. Uma vez depositados, os átomos na camada ganham elétrons através do processo de redução.

A velocidade e a quantidade de eletrodeposição dependem da resistência da corrente elétrica aplicada entre o cátodo e o ânodo na solução de eletrólitos. Além disso, os metais utilizados na eletroposição devem ser escolhidos cuidadosamente, pois alguns metais ligarão entre si; nesses casos, várias camadas metálicas devem ser depositadas.

Como os cáations são quimicamente ligados ao substrato, a eletrodeposição tem as vantagens da expansão térmica unificada, melhor resistência à corrosão química e aumento da durabilidade física. Uma desvantagem da deposição eletroquímica em comparação com outros métodos de deposição de filme fino é a necessidade de uma superfície condutora no substrato antes da deposição. Além disso, o processo de eletroposição nem sempre rende depoimento uniforme, o que causa inconsistências no revestimento do material.

A eletroposição tem muitas aplicações além de depositar o Azul Prussiano. A eletroposição é amplamente utilizada na indústria de joias, pois permite um alto grau de controle sobre o processo de revestimento e permite modificações estéticas variadas. Uma grande variedade de variações de cores pode ser alcançada depositando diferentes metais para formar ligas com aparências únicas. Além disso, os metais podem ser depositados de forma uniforme, o que reduz as inconsistências de cor e pode ocultar linhas de solda e componentes. Utilizando a eletrodeposição, os joalheiros são capazes de criar revestimentos metálicos funcionais e consistentes que são esteticamente agradáveis.

A eletroposição também é utilizada na indústria automotiva. Os veículos estão constantemente sujeitos a forças que se desgastam com componentes vitais. A eletroposição permite que as propriedades de várias peças sejam modificadas e aprimoradas sem alterar o volume funcional da peça. O cromo depositado fornece proteção de desgaste e corrosão superior para os veículos e permite que os carros durem mais tempo com requisitos mínimos para manutenção e reparo.

Na indústria de semicondutores, a eletrodeposição oferece custos significativos, confiabilidade e vantagens ambientais sobre a tecnologia clássica de evaporação e pode acomodar tamanhos de wafer muito diferentes. O processo de eletroposição permite a deposição em substratos frágeis e também permite controle avançado de forma ou novas funcionalidades. A eletroposição oferece um meio de amostras baratas e únicas, utilizando uma tecnologia prontamente adaptada à produção industrial.

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Transcript

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