Deposición de cobre a granel en Gold estudió en una aplicación CE-AFM Con el FlexAFM de Nanosurf

Los temas cubiertos

Fondo
Resumen
Introducción
La instalación experimental
Los procedimientos experimentales
Resultados
Conclusión
Reconocimientos

Fondo

Nanosurf es un proveedor líder de fácil de usar microscopios de fuerza atómica (AFM) y microscopios de efecto túnel (STM). Nuestros productos y servicios son confiables por los profesionales en todo el mundo para ayudarles a medir, analizar y presentar la información 3D de la superficie. Nuestros microscopios destacan por su diseño compacto y elegante, su fácil manejo y su fiabilidad absoluta.

Resumen

Este informe demuestra con eficacia la capacidad de la FlexAFM para monitorear los cambios morfológicos durante la electrodeposición de material sobre una superficie del electrodo. En los datos presentados aquí, el cobre se deposita sobre una llama recocido superficie de oro. El proceso de deposición ha demostrado ser totalmente reversible: a bajos potenciales de cobre se depositan y que a potenciales mayores que se disolvió de nuevo. Deposición y la disolución se llevó a cabo muy rápidamente, dentro de un AFM línea de exploración.

Introducción

La interacción de los objetos con su entorno es principalmente transmitida a través de su superficie. Mediante la aplicación de una capa, las propiedades de la superficie puede ser ajustada para proteger el objeto contra los mecanismos de desgaste tales como la abrasión y corrosión. Abrasión se puede reducir mediante el uso de una capa dura que puede resistir grandes fuerzas normales o cortantes, o por un recubrimiento con propiedades lubricantes. La corrosión puede ser reducido por la cobertura de un metal susceptible por uno más resistente, por ejemplo, níquel. Además, estos recubrimientos también se puede aplicar por razones cosméticas, por ejemplo, para cambiar la apariencia de la superficie. Una posibilidad para cubrir un objeto con una capa de llevar a cabo, por lo general un metal, es la galvanoplastia, en la que los cationes de una solución se electrodepositado en él a un potencial adecuado. En el potencial seleccionado, los cationes de un material deseado se reducen de la solución y se depositan en el objeto como una capa fina. Entre otros factores, la calidad de las planchas de metal dependerá principalmente de la morfología del sustrato y la cinética de la deposición.

La electrodeposición Cu Damasceno, en particular, es un proceso de fabricación clave, se utilizan actualmente en el estado de la técnica, la metalización de niveles múltiples interconexiones de cobre de la microelectrónica, que van desde transistores a escala del circuito longitud de la tabla. Esta aplicación fuertemente impulsada por la tecnología sirve como un motivador clave para aplicar y estudios sobre los mecanismos fundamentales que pueden impulsar un mayor desarrollo y optimización del proceso de electrodeposición Cu.

Con un microscopio de fuerza atómica (AFM) morfología de la superficie pueden ser estudiados a escala nanométrica. El AFM no se limita a las superficies en el vacío o el aire, pero también puede ser usado para estudiar la interfase líquido-sólido. Que tiene la superficie con cable e incorporados en una celda electroquímica, permite que las reacciones electroquímicas en la interfaz que se provocó y sigue funcionalmente por la corriente que fluye a través de la interfaz. Con el AFM, los cambios en la morfología de la superficie bajo estas condiciones pertinentes electroquímico se puede estudiar de forma simultánea.

Aquí presentamos la electrodeposición reversible, o placas, de una superficie de oro con el cobre de una solución que contiene sulfato de cobre 1 mM y 100 mM de ácido sulfúrico para aumentar la conductividad del electrolito. Deposición y la disolución de cobre podrían ser fácilmente seguidos por voltametría cíclica. Los cambios morfológicos inducidos por el cobre-que ocurren en la superficie del oro al mismo tiempo puede ser registrado mediante la realización de mediciones de AFM en el electrolito líquido durante la voltametría con el FlexAFM Nanosurf, y sirve para confirmar y entender mejor el proceso electroquímico.

La instalación experimental

Una muestra de la realización de formas de la parte inferior de la celda electroquímica (ver Figura 1). Una célula de Kel-F fue montado en la parte superior de la muestra y presionado por una placa de metal. Para evitar fugas, de 20 mm ± 2 mm ¡O-anillo de Kalrez 4079 estuvo presente entre la muestra y la celda de Kel-F. Potenciales se establece y mide las corrientes con un potenciostato de fabricación casera. El sustrato se conecta al electrodo de trabajo de la potenciostato (cable rojo, centro derecha) a través de una pinza fuera del depósito de líquido. Los electrodos quasireference y contador (cable azul y negro, respectivamente) entran en el líquido sobre el borde del depósito. Los electrodos de referencia se utilizó un alambre de cobre. El contraelectrodo fue de platino. La solución electrolítica contenía 1 mM CuSO ₄ y 100 mM de H ₂ SO _4. Todos los experimentos se llevaron a cabo con una alta resolución FlexAFM cabeza de la exploración equipado con un soporte voladizo SA para la medición directa en ambientes líquidos tales como el electrolito utilizado aquí. Mejor calidad de imagen se obtuvo en el modo dinámico (con contraste de fase de adquisición de datos habilitada) usando PPP-NCLAuD voladizos de nanosensores.

Figura 1: Arreglo experimental. (Arriba) Panorámica de la celda electroquímica en un escenario de muestra FlexAFM equipado con cámara de control ambiental, la etapa de traducción y micrométrico isoStage. La cabeza de la exploración FlexAFm se muestra acostado de lado, equipado con un soporte voladizo SA para realizar mediciones en líquidos. (Abajo) Primer plano de la celda electroquímica y el cableado para conectar los electrodos y la superficie de oro.

Los procedimientos experimentales

La muestra utilizada en estos experimentos consistió en un ¡20 mm a 20 mm con lámina de vidrio de oro evaporado sobre su superficie. El oro se llama recocido y enfriado bajo corriente de nitrógeno seco. Después de enfriar, la muestra se montó rápidamente en la celda electroquímica y el electrolito se añadió. La orientación preferente de la película de oro era (111), que llegó a la conclusión de la voltamogramas cíclico. Depósito de cobre y la disolución se llevó a cabo como se describió anteriormente. La escala potencial en todos los voltamogramas cíclica se pone a cero al potencial de equilibrio del depósito de cobre / disolución en el electrolito.

Resultados

El gráfico superior en la figura 2 se muestra la deposición de paso a paso y la disolución de una sola capa de cobre sobre Au (111) (deposición subpotencial, UPD, ver ref 6).. Los dos pares de picos de corriente P1/P1 y P2 / P2 'por separado las tres regiones características potenciales. Región I corresponde a la adsorción desordenada de iones de cobre y sulfato en las superficies de oro. Al cambiar el electrodo de potencial P1 pasado, el llamado (¡i3 ¡Â ¡I3) en forma de panal tipo adlayer (II Región) está formada, compuesta de 2 / 3 cobertura de iones de cobre y la cobertura de un tercio de iones sulfato. A potenciales más negativos que P2 (región III), una monocapa completa de cobre se forma. Estos procesos son reversibles con la excursión de potencial positivo. A potenciales más negativos que los 0,0 V vs Cu / Cu ^{2 +} (reversible potencial de Nernst) el depósito a granel o sobrepotencial (OPD) de cobre en la monocapa depositado previamente se lleva a cabo en la región IV de acuerdo con un mecanismo de crecimiento Stranski-Krastanov.

Partir de las curvas en el gráfico inferior de la figura 2 se puede observar que la cantidad de masa depositada aumenta cobre cuando el punto de inflexión (parte inferior izquierda de la voltamogramas) se cambia a valores más negativos. Las magnitudes de las dos de la deposición de las corrientes negativas y positivas aumentan claramente la disolución. La cantidad de material se puede estimar a partir de la corriente integrada contra el tiempo, si otros procesos electroquímicos se descuidan.

Figura 2: voltamogramas cíclica. Depósito de cobre (picos negativos) y la disolución (picos positivos) sobre Au (111) en 0,1 MH ₂ SO ₄ + 1 mM CuSO _4, velocidad de barrido 0,05 V ¡¤ s ^-1. (Arriba) deposición subpotencial y disolución. (Abajo) sobretensión (a granel) depostion y la disolución de la dependencia en el punto de inflexión en el potencial negativo.

La figura 3 muestra imágenes AFM de la superficie de Au registrados antes de la deposición (arriba), durante la deposición (centro) y durante la disolución (abajo) de cobre. El depósito pudo ser confirmada por el cambio en la topografía (izquierda), la fase (derecha) y la corriente fluye a través del electrodo de trabajo (superficie de oro).

Figura 3: imágenes de AFM del depósito a granel y la disolución. Topografía (izquierda) y fase (derecha) del sustrato de oro al descubierto (arriba), el sustrato durante la deposición (centro) y durante la disolución (abajo). Topografía se muestra como los datos obtenidos y la fase de los datos en bruto. Las imágenes son 800 nm de tamaño y forma idéntica a escala para la comparación.

Para la imagen de arriba de la de oro al descubierto, la superficie se mantiene a un potencial positivo, donde no se cobre mayor deposición se produce. Durante la grabación de las imágenes de media, la tensión fue en bicicleta a los valores de E <0.0 V vs Cu / Cu ^{2 +.} Las imágenes fueron registradas durante el proceso de deposición a granel. Una vez que la fase de 3D ​​se nucleadas, el crecimiento se puede observar a los potenciales de cerca de 0.0 V vs Cu / Cu ^{2 +.} Disolución de los grupos de Cu comenzó a E> 0,0 V. La velocidad de disolución aumenta con el creciente potencial.

Tanto el depósito y la disolución se producen en un marco de tiempo muy estrecho. De las superficies de oro visible en todas las imágenes, se puede observar que todas las imágenes fueron grabadas en la misma zona. Todas las imágenes tienen una dimensión de 800 nm ¡a 800 nm y se ampliaron de manera idéntica en Z (morfología: los datos obtenidos con el filtro de Sobel, de centro-escala entre ° C20 y 20; fase: los datos en bruto a escala en un rango de 20 grados con idéntico desplazamiento ).

Conclusión

El experimento descrito aquí demuestra que los procesos electroquímicos pueden ser elegante control in situ por la CE-AFM. Con este fin, el FlexAFM estaba equipado con un potenciostato y un soporte para muestras especiales, adecuados para los experimentos electroquímicos. El depósito de cobre puede ser dirigido a través de la tensión aplicada por el potenciostato y monitoreados a través de la corriente que fluye a través del sustrato de oro. Los cambios morfológicos pueden ser registrados en el depósito y la disolución de cobre. El experimento sirve como prueba de concepto para estudiar la deposición de metales, corrosión u otros fenómenos electroquímicos a escala nanométrica con EC-AFM.

Reconocimientos

Este trabajo fue realizado en colaboración con Ilya Pobelov, Mishchenko Artem y Thomas Wandlowski (Departamento de Química y Bioquímica de la Universidad de Berna, Suiza) y Gabor Meszaros y Tamas Pajkossy (Instituto de Materiales y Química Ambiental, Química del Centro de Investigación de la Academia Húngara de Ciencias Budapest, Hungría).

Fuente: Nanosurf

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