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Electroplating of Thin Films

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El electroplating es un proceso que utiliza corriente eléctrica para reducir los cationes de metal disuelto en una superficie de electrodo, formando una película delgada. Las películas delgadas son una capa de material que varía en espesor de menos de un nanómetro a varios micrómetros. Estas películas delgadas se utilizan en una amplia gama de aplicaciones, que van desde células solares hasta sondas de biosensor, y proporcionan propiedades de superficie modificadas con un cambio mínimo en el volumen. Sin embargo, es esencial que el grosor de la película delgada sea consistente y controlable. Hay muchas técnicas de deposición de película delgada diferentes comúnmente utilizadas para depositar películas delgadas, y cada una tiene sus propios beneficios e inconvenientes. En este video, presentaremos la técnica de galvanoplastia, y demostraremos cómo formar una película delgada usando este método en el laboratorio.

El electroplacado se realiza en una configuración como una célula galvánica que consta de dos metales diferentes, un ánodo y un cátodo, conectados por un puente salinario o membrana porosa. Estas células electroquímicas tienen reacciones de oxidación y reducción de medias células que se producen espontáneamente en cada uno de los electrodos metálicos, generando así corriente eléctrica. La galvanoplastia se basa en un concepto similar. Sin embargo, lo invierte suministrando corriente, impulsando así reacciones redox no espontáneas. El ánodo está hecho del metal a chapar y se oxida, creando iones disueltos. Estos iones fluyen a través de la solución electrolítica, que contiene sales metálicas y otros iones que permiten el flujo de electricidad.

Los iones metálicos disueltos se reducen y se chapan en el cátodo. El proceso de galvanoplastia requiere que tanto el ánodo como los materiales cátodos sean conductores. Por lo tanto, los metales se utilizan típicamente. El espesor del revestimiento se controla variando la duración y la fuerza de la corriente eléctrica entre los electrodos. Aumentar uno o ambos de estos parámetros dará como resultado capas de chapado más gruesas. Ahora que has aprendido los conceptos básicos de la galvanoplastia, demostraremos la técnica enchapando una película delgada del pigmento oscuro, azul prusiano, en una hoja de poliéster codificada con óxido de estaño indio, o ITO.

Para empezar, prepare la solución azul prusiana. El azul prusiano es un pigmento producido por la oxidación de sales de ferrocianuro. Mezclar 50 mililitros de ácido clorhídrico molar 0,05, 100 mililitros de hexacianoferrato de potasio molar (III) y 100 mililitros de 0,05 molar hierro (III) cloruro hexahidrato. Ahora, crea un ánodo envolviendo unos ocho centímetros de alambre Nichrome en una bobina apretada. Preparar el cátodo cortando primero el poliéster recubierto de ITO en un cuadrado de cinco por cinco centímetros. A continuación, retire el recubrimiento exterior que protege el lado conductor del material.

A continuación, construir el circuito mediante la conexión del terminal positivo de una batería de nueve voltios en serie con una resistencia de 30 kiloohm. A continuación, conéctelo al ánodo Nichrome utilizando un clip de cocodrilo. Conecte el extremo negativo de la batería al cátodo ITO con un clip de cocodrilo. Asegúrese de que el ánodo y el cátodo no se tocan. Ahora, baje el cátodo y el ánodo en la solución azul prusiana, teniendo cuidado de no sumergir los clips de cocodrilo. Mantenga la configuración en la solución durante un minuto. A continuación, retire y enjuague los dos electrodos en agua desionizada. Repita el proceso con los nuevos electrodos ITO, cada uno sumergido para diferentes tiempos de deposición y voltajes de la batería.

Ahora analizaremos las diversas películas utilizando el porcentaje de transmisión de luz visible en el rango de 750 a 400 nanómetros a través de espectroscopia UV-VIS. En primer lugar, realice un escaneo de fondo utilizando un sustrato ITO que no haya sido recubierto con azul prusiano. A continuación, mida el porcentaje de transmisión de las muestras recubiertas de azul prusiano, restando la transmitancia de fondo de la ITO en blanco. Ahora compare el porcentaje de transmitancia entre cada una de las muestras. Primero, echemos un vistazo al tiempo de deposición efectivo. Estas muestras fueron depositadas durante 30, 60 y 240 segundos. El porcentaje de transmisión fue menor para las muestras con tiempos de deposición más largos, lo que indica películas más gruesas. Del mismo modo, las películas depositadas a tensiones más altas mostraban una transmitancia menor que las depositadas a tensiones más bajas, lo que indica la formación de películas más gruesas a tensiones más altas.

Las películas delgadas tenían una amplia gama de aplicaciones en ingeniería de materiales y otros campos de investigación. La técnica de galvanoplastia se puede utilizar para crear patrones de características a microescala y espesor a nanoescala en una superficie. Aquí, los investigadores giran fotorresistente recubierto sobre un sustrato conductor. Y luego modeló una celosía a microescala usando una máscara con patrón de malla usando luz UV. El patrón expuesto a los rayos UV se eliminó utilizando una solución de desarrollador para revelar un patrón de celosía de zanjas que revelan el sustrato conductor. El cobre se electroplateó en la superficie con la película metálica formando sólo en las partes conductoras del sustrato y no en el fotorresistente restante.

Después de la eliminación del patrón fotorresistente restante, se mantuvo una celosía de metal elevado, con un espesor de menos de dos nanómetros. El electroplating también se puede utilizar para depositar capas de materiales biológicos en una superficie, mejorando así la biocompatibilidad de un sensor o sonda. Aquí, una fina película de quitosano fue depositada en un cátodo de oro estampado. El quitosano, un polisacárido, es soluble por debajo del pH 6,3 e insoluble por encima del pH 6,3. La electrólisis de agua en el cátodo indujo un aumento local en el pH, que causó la transición sol-gel del material, haciendo que la película depositada sea insoluble. Esto permitió su uso como una superficie bio-compatible para la adhesión de enzimas y el desarrollo de un sensor de glucosa.

Acabas de ver la introducción de JoVE a la galvanoplastia de películas delgadas. Ahora debe entender cómo funciona el proceso de galvanoplastia, cómo se realiza en el laboratorio, así como algunas aplicaciones de esta tecnología. Gracias por mirar.

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