Εναπόθεση Μαζική χαλκού στο Gold Σπούδασε στο ΕΚ-AFM εφαρμογή που χρησιμοποιεί το FlexAFM από Nanosurf

Θέματα που καλύπτονται

Φόντο
Περίληψη
Εισαγωγή
Πειραματική διάταξη
Πειραματικές Διαδικασίες
Αποτελέσματα
Συμπέρασμα
Ευχαριστίες

Φόντο

Nanosurf είναι ο κορυφαίος πάροχος της εύκολο στη χρήση ατομικών μικροσκοπίων δύναμης (AFM) και σάρωσης tunneling μικροσκόπια (ΕΕΜ). Τα προϊόντα και οι υπηρεσίες μας εμπιστεύονται οι επαγγελματίες σε όλο τον κόσμο για να βοηθήσει τη μέτρησή τους, αναλύουν, και να παρουσιάσει πληροφορίες 3D επιφάνεια. Μικροσκόπια μας διαπρέπουν μέσα από συμπαγή και κομψό σχεδιασμό τους, τον εύκολο χειρισμό τους, και την απόλυτη αξιοπιστία τους.

Περίληψη

Η έκθεση αυτή καταδεικνύει αποτελεσματικά την ικανότητα της FlexAFM να παρακολουθεί μορφολογικές αλλαγές κατά τη διάρκεια της ηλεκτροαπόθεση υλικών σε μια επιφάνεια του ηλεκτροδίου. Σε στοιχεία που εμφανίζονται εδώ, ο χαλκός ήταν απλωμένα πάνω από μια φλόγα ανόπτηση χρυσό επιφάνεια. Η διαδικασία εναπόθεσης έχει αποδειχθεί ότι είναι πλήρως αναστρέψιμη: Σε χαμηλά δυναμικά χαλκού κατατέθηκε και σε υψηλότερες δυνατότητες διαλύθηκε και πάλι. Εναπόθεση και διάλυση έλαβε χώρα πολύ γρήγορα, μέσα σε ένα AFM γραμμή σάρωσης.

Εισαγωγή

Η αλληλεπίδραση των αντικειμένων με το περιβάλλον τους είναι σε μεγάλο βαθμό μεταδίδονται μέσω της επιφάνειάς του. Με την εφαρμογή της επικάλυψης, των ιδιοτήτων της επιφάνειας μπορεί να ρυθμιστεί για την προστασία του αντικειμένου από τους μηχανισμούς φθοράς, όπως η τριβή και τη διάβρωση. Τριβή μπορεί να μειωθεί με τη χρήση μια σκληρή επίστρωση που μπορεί να αντισταθεί σε κανονική ή υψηλή διάτμηση δυνάμεις, ή από μια επίστρωση με ιδιότητες λίπανσης. Η διάβρωση μπορεί να μειωθεί με την κάλυψη των ευπαθών μέταλλο με μια πιο ανθεκτική, π.χ. νικέλιο. Επιπλέον, όπως επιστρώσεις μπορούν να εφαρμοστούν και για αισθητικούς λόγους, π.χ. για να αλλάξετε την εμφάνιση της επιφάνειας. Μία δυνατότητα για την επικάλυψη ενός αντικειμένου με μια αγώγιμη επίστρωση, γενικά ένα μέταλλο, είναι ηλεκτρολυτικής, στην οποία κατιόντα από μια λύση electrodeposited σ 'αυτό σε ένα κατάλληλο δυναμικό. Στο επιλεγμένο δυναμικό, είναι κατιόντα του επιθυμητού υλικού μειώνεται από το διάλυμα και να καταθέσουν σχετικά με το αντικείμενο, όπως ένα λεπτό στρώμα. Μεταξύ άλλων παραγόντων, την ποιότητα της μεταλλικής πλάκας θα εξαρτηθεί κυρίως από τη μορφολογία του υποστρώματος και η κινητική της εναπόθεσης.

Ο Cu Δαμασκηνός ηλεκτροαπόθεση ειδικότερα αποτελεί βασικό διαδικασία κατασκευής, που χρησιμοποιούνται σήμερα σε state-of-the-art, πολυεπίπεδη Cu επιμετάλλωση της μικροηλεκτρονικής διασυνδέει που κυμαίνονται από τρανζίστορ σε κλίμακα κυκλώματος μήκους. Αυτή η έντονα την τεχνολογία με γνώμονα την εφαρμογή χρησιμεύει ως βασικό κίνητρο για την εφαρμογή και τις θεμελιώδεις μηχανιστικές μελέτες που μπορούν να προωθήσουν την περαιτέρω ανάπτυξη και βελτιστοποίηση της διαδικασίας Cu ηλεκτροαπόθεση.

Με ένα ατομικό μικροσκόπιο δύναμης (AFM) μορφολογία του εδάφους μπορεί να μελετηθεί στην κλίμακα του νανομέτρου. Το AFM δεν περιορίζεται σε επιφάνειες σε κενό ή αέρα, αλλά μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για να μελετήσει το υγρό-στερεό interface. Έχοντας την επιφάνεια ενσύρματη και δεν έχει ενσωματωθεί σε ένα ηλεκτροχημικό κύτταρο, επιτρέπει ηλεκτροχημικές αντιδράσεις στο περιβάλλον εργασίας να προκαλέσει λειτουργικά και ακολουθείται από το ρεύμα που ρέει μέσα από το περιβάλλον. Με την AFM, αλλαγές στην μορφολογία του εδάφους κάτω από αυτά τα ηλεκτροχημικά σχετικές προϋποθέσεις μπορούν να μελετηθούν ταυτόχρονα.

Εδώ παρουσιάζουμε το ηλεκτροαπόθεση αναστρέψιμη, ή στο εξωτερικό, από ένα χρυσό επιφάνεια με το χαλκό από ένα διάλυμα που περιέχει 1 θειικό χαλκό mm και 100 mm θειικό οξύ για να αυξηθεί η αγωγιμότητα των ηλεκτρολυτών. Εναπόθεση και διάλυση του χαλκού θα μπορούσε εύκολα να ακολουθήσει κυκλική βολταμετρία. Ο χαλκός που προκαλούνται από μορφολογικές αλλαγές που συμβαίνουν στην επιφάνεια του χρυσού θα μπορούσε ταυτόχρονα να καταγραφεί με την εκτέλεση AFM μετρήσεις στο υγρό ηλεκτρολύτη κατά τη διάρκεια βολταμετρία χρησιμοποιώντας το Nanosurf FlexAFM, και έρχεται να επιβεβαιώσει και να κατανοούν καλύτερα τη διαδικασία της ηλεκτροχημικής.

Πειραματική διάταξη

Η διεξαγωγή δείγμα αποτελεί το κάτω μέρος του ηλεκτροχημικό κύτταρο (βλέπε σχήμα 1). Μια Kel-F κυττάρων ήταν τοποθετημένο στην κορυφή του δείγματος και πιέζεται από μια μεταλλική πλάκα. Για την αποφυγή διαρροής, 20 mm ¡± 2 mm O-ring γίνονται από Kalrez 4079 ήταν παρών μεταξύ του δείγματος και το Kel-F κυττάρων. Δυναμικά τέθηκαν και ρεύματα που μετρώνται με ένα σπίτι χτισμένο potentiostat. Το υπόστρωμα ήταν συνδεδεμένη με το ηλεκτρόδιο εργασίας του potentiostat (κόκκινο καλώδιο, κέντρο δεξιά) μέσω ενός σφιγκτήρα έξω από το υγρό δεξαμενή. Τα ηλεκτρόδια quasireference και μετρητή (ενσύρματο μπλε και μαύρο, αντίστοιχα), εισάγετε το υγρό πάνω από το χείλος της δεξαμενής. Τα ηλεκτρόδια που χρησιμοποιούνται αναφοράς ήταν ένα χάλκινο σύρμα. Ο μετρητής ηλεκτρόδιο ήταν κατασκευασμένα από πλατίνα. Η λύση ηλεκτρολυτών που περιέχονται 1 mm CuSO ₄ και 100 mm H ₂ SO _4. Όλα τα πειράματα διεξήχθησαν με μια υψηλής ανάλυσης FlexAFM κεφαλή σάρωσης είναι εξοπλισμένα με Κάτοχος πρόβολος Α.Ε., για τις απλές μετρήσεις σε υγρά περιβάλλοντα, όπως ηλεκτρολύτη που χρησιμοποιείται εδώ. Καλύτερη ποιότητα εικόνας έχει παραχθεί, Δυναμική λειτουργία (με αντίθεσης φάσης συλλογής δεδομένων ενεργοποιείται) με χρήση PPP-NCLAuD φουρούσια από νανοαισθητήρες.

Σχήμα 1: Η πειραματική διάταξη. (Top) Επισκόπηση δείχνει το ηλεκτροχημικό κύτταρο σε ένα FlexAFM Stage Δείγμα είναι εξοπλισμένα με θάλαμο ελέγχου, μικρομετρικό κανόνα Μετάφρασης και isoStage. Η κεφαλή σάρωσης FlexAFm εμφανίζεται ξαπλωμένη στο πλάι, που είναι εξοπλισμένα με ένα Κάτοχο πρόβολος Α.Ε. για τις μετρήσεις σε υγρά. (Κάτω) Close-up του ηλεκτροχημικό κύτταρο και η καλωδίωση που χρησιμοποιείται για να συνδέσετε τα ηλεκτρόδια και το χρυσό επιφάνεια.

Πειραματικές Διαδικασίες

Τα δείγματα που χρησιμοποιούνται σε αυτά τα πειράματα αποτελούνταν από ένα mm 20 ¡20 πλακιδίων γυαλί mm με χρυσό εξατμιστεί στην επιφάνειά του. Ο χρυσός ήταν φλόγας ανόπτηση και ψυχθεί σε ρεύμα ξηρού αζώτου. Μετά την ψύξη, το δείγμα γρήγορα τοποθετημένος στο ηλεκτροχημικό κύτταρο και ηλεκτρολυτών προστέθηκε. Η προτιμώμενη προσανατολισμό της ταινίας χρυσού (111), όπως συμπεραίνεται από το voltammograms κυκλική. Εναπόθεση του χαλκού και διάλυση πραγματοποιήθηκε, όπως περιγράφεται παραπάνω. Η δυνητική κλίμακα για όλα τα voltammograms κυκλική ήταν μηδενίζεται στο δυναμικό ισορροπίας της εναπόθεσης χαλκού / διάλυση στον ηλεκτρολύτη.

Αποτελέσματα

Το άνω διάγραμμα στο Σχήμα 2 δείχνει τη σταδιακή εναπόθεση και τη διάλυση ενός μονοστρωματική χαλκού σε Au (111) (underpotential εναπόθεση, UPD? Δείτε ref 6.). Τα δύο ζευγάρια της τρέχουσας κορυφές P1/P1 »και P2 / P2« χωριστή τρεις χαρακτηριστικές πιθανές περιοχές. Περιφέρεια I αντιστοιχεί στο διαταραγμένο προσρόφηση του χαλκού και θειικών ιόντων στις επιφάνειες χρυσού. Μετά την αλλαγή του ηλεκτροδίου δυναμικό παρελθόν P1, η αποκαλούμενη (I3 ¡¡Â ¡Ι3) κηρήθρα τύπου adlayer (περιοχή ΙΙ) σχηματίζεται, αποτελείται από 2 / 3 κάλυψη ιόντων χαλκού και 1 / 3 κάλυψη θειικό ιόν. Στο πιο αρνητικό δυναμικό από ό, τι P2 (περιοχή III), ένα πλήρες μονοστιβάδα χαλκού διαμορφώνεται. Οι διεργασίες αυτές είναι αναστρέψιμες με θετικές δυνατότητες εκδρομή. Σε δυναμικά πιο αρνητικά από 0,0 V εναντίον Cu / Cu ^{2 +} (αναστρέψιμη Nernst δυναμικό) χύμα ή overpotential εναπόθεση (OPD) του χαλκού πάνω στο προκατατεθεί μονοστρωματική λαμβάνει χώρα στην περιοχή IV, σύμφωνα με μια Stranski-Krastanov μηχανισμό ανάπτυξης.

Από τις καμπύλες στο κάτω διάγραμμα του σχήματος 2 μπορεί να δει κανείς ότι η ποσότητα των χύδην κατατεθεί αυξάνει χαλκού όταν το σημείο καμπής (κάτω αριστερό μέρος του voltammograms) αλλάζει σε πιο αρνητικές τιμές. Τα μεγέθη τόσο των αρνητικών εναπόθεση και τη θετική ρεύματα διάλυση σαφώς αυξηθεί. Η ποσότητα του υλικού που μπορεί να εκτιμηθεί από την ολοκληρωμένη τρέχουσα ενάντια στο χρόνο, αν παραμεληθεί άλλες διεργασίες ηλεκτροχημικής.

Σχήμα 2: Κυκλικές voltammograms. Εναπόθεση του χαλκού (αρνητικές κορυφές) και διάλυση (θετικές κορυφές) σε Au (111) σε 0,1 MH ₂ SO ₄ + 1 mm CuSO _4, ποσοστό σκούπισμα 0,05 V ¡¤ s ^-1. (Top) Underpotential εναπόθεση και τη διάλυση. (Κάτω) Overpotential (χύμα) depostion και διάλυση της εξάρτησης από το σημείο καμπής στο αρνητικό δυναμικό.

Το σχήμα 3 δείχνει τις εικόνες AFM της επιφάνειας Au καταγραφεί πριν από εναπόθεση (κορυφή), κατά τη διάρκεια της εναπόθεσης (μέση) και κατά τη διάλυση (κάτω) του χαλκού. Η απόθεση θα μπορούσε να επιβεβαιωθεί από την αλλαγή στην τοπογραφία (αριστερά), φάση (δεξιά) και ρεύμα που διαρρέει το ηλεκτρόδιο εργασίας (επιφάνεια χρυσού).

Σχήμα 3: AFM εικόνες χύδην απόθεση και διάλυση. Τοπογραφία (αριστερά) και φάση (δεξιά) του γυμνού υπόστρωμα χρυσού (κορυφή), το υπόστρωμα κατά τη διάρκεια της εναπόθεσης (μέση) και κατά τη διάλυση (κάτω). Τοπογραφία εμφανίζεται ως παράγωγα των δεδομένων και τη φάση ως μη επεξεργασμένα δεδομένα. Οι εικόνες είναι 800 nm σε μέγεθος και με πανομοιότυπο κλίμακα για τη σύγκριση.

Για την κορυφή της εικόνας του γυμνού χρυσού, η επιφάνεια κρατήθηκε σε θετικό δυναμικό, όπου δεν Cu χύδην απόθεση συμβαίνει. Κατά την εγγραφή του μεσαίου εικόνων, η τάση ήταν εναλλάσσονται με τις αξίες Ε <0,0 V εναντίον Cu / Cu ^{2 +.} Εικόνες καταγράφηκαν κατά το μεγαλύτερο μέρος της διαδικασίας εναπόθεσης. Μόλις το 3D φάση ήταν εμπύρηνα, η ανάπτυξη θα μπορούσε να παρατηρηθεί μέχρι και τις δυνατότητες κοντά σε 0.0 V εναντίον Cu / Cu ^{2 +.} Διάλυση της Cu συστάδες ξεκίνησε Ε> 0,0 V. Οι αυξήσεις ρυθμός διάλυσης με την αύξηση του δυναμικού.

Και οι δύο εναπόθεση και διάλυση συμβαίνουν σε ένα πολύ στενό χρονικό πλαίσιο. Από το χρυσό επιφάνειες ορατές σε όλες τις εικόνες, μπορεί να δει ότι όλες οι εικόνες που καταγράφηκαν στην ίδια περιοχή. Όλες οι εικόνες έχουν μια διάσταση των 800 nm ¡A 800 nm και έχουν κλιμακωθεί το ίδιο σε Z (μορφολογία: δεδομένων που προκύπτουν με Sobel φίλτρο, κέντρο κλίμακας μεταξύ ° C20 και +20? Φάση: ανεπεξέργαστα δεδομένα κλιμακωθεί σε ένα εύρος 20 μοιρών με τα ίδια offset ).

Συμπέρασμα

Το πείραμα που περιγράφεται εδώ αποδεικνύει ότι ηλεκτροχημικές διεργασίες μπορεί να είναι κομψά ελέγχεται επί τόπου από την ΕΚ-AFM. Για το σκοπό αυτό, η FlexAFM ήταν εξοπλισμένο με potentiostat και ένα ειδικό υποδοχέα του δείγματος, κατάλληλο για ηλεκτροχημικά πειράματα. Η εναπόθεση του χαλκού μπορεί να κατευθύνονται μέσω της τάσης που εφαρμόζεται από την potentiostat και να παρακολουθούνται μέσω του ρεύματος που διαρρέει το υπόστρωμα χρυσού. Οι μορφολογικές αλλαγές που θα μπορούσαν να καταγραφούν κατά τη διάρκεια της εναπόθεσης και διάλυση του χαλκού. Το πείραμα χρησιμεύει ως απόδειξη της έννοιας για τη μελέτη εναπόθεσης μετάλλων, διάβρωση ή άλλα φαινόμενα ηλεκτροχημικής σε νανοκλίμακα με ΕΚ-AFM.

Ευχαριστίες

Το έργο αυτό εκτελείται σε συνεργασία με τον Ίλια Pobelov, Artem Mishchenko και Thomas Wandlowski (Τμήμα Χημείας και Βιοχημείας, Πανεπιστήμιο της Βέρνης, στην Ελβετία) και Gabor Meszaros και Tamas Pajkossy (Ινστιτούτο Υλικών και Περιβαλλοντικής Χημείας, Χημικών Κέντρο Ερευνών, Ουγγρική Ακαδημία Επιστημών , Βουδαπέστη, Ουγγαρία).

Πηγή: Nanosurf

Για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με αυτή την πηγή παρακαλώ επισκεφθείτε Nanosurf