Deposisi Tembaga Massal di Emas Belajar di Aplikasi EC-AFM Menggunakan FlexAFM dari Nanosurf

Topik Covered

Latar belakang
Ringkasan
Pengenalan
Eksperimental Pengaturan
Prosedur eksperimental
Hasil
Kesimpulan
Ucapan Terima Kasih

Latar belakang

Nanosurf adalah penyedia terkemuka mudah digunakan mikroskop atom (AFM) dan scanning tunneling mikroskop (STM). Produk dan layanan kami dipercaya oleh para profesional di seluruh dunia untuk membantu mereka mengukur, menganalisis, dan informasi permukaan 3D ini. Mikroskop kami unggul melalui desain mereka kompak dan elegan, penanganan mudah, dan kehandalan absolut mereka.

Ringkasan

Laporan ini secara efektif menunjukkan kemampuan FlexAFM untuk memantau perubahan morfologi selama elektrodeposisi bahan pada permukaan elektroda. Dalam data yang ditampilkan di sini, tembaga diendapkan pada permukaan emas anil api. Proses deposisi ditunjukkan sepenuhnya reversibel: Pada potensi rendah tembaga diendapkan dan pada potensial lebih tinggi itu dibubarkan lagi. Deposisi dan pembubaran berlangsung sangat cepat, dalam satu garis scan AFM.

Pengenalan

Interaksi objek dengan lingkungan sekitar mereka sebagian besar ditularkan melalui permukaannya. Dengan aplikasi pelapisan, sifat permukaan dapat disesuaikan untuk melindungi objek terhadap mekanisme keausan seperti abrasi atau korosi. Abrasi dapat dikurangi dengan menggunakan lapisan keras yang dapat menahan gaya normal atau geser tinggi, atau oleh lapisan dengan sifat pelumas. Korosi dapat dikurangi dengan cakupan logam rentan dengan yang lebih tahan, Nikel misalnya. Selain itu, lapisan tersebut juga dapat diterapkan untuk alasan kosmetik, misalnya untuk mengubah tampilan permukaan. Satu kemungkinan untuk melapisi obyek dengan lapisan melakukan, umumnya logam, elektroplating, di mana kation dari solusi yang Elektrodeposisi di atasnya pada potensial yang sesuai. Pada potensi yang dipilih, kation dari bahan yang diinginkan berkurang dari solusi dan deposito pada objek sebagai lapisan tipis. Diantara faktor-faktor lain, kualitas dari pelapisan logam terutama akan tergantung pada morfologi substrat dan kinetika pengendapan.

Para elektrodeposisi Cu Damaskus khususnya adalah proses fabrikasi kunci, saat ini digunakan di negara-of-the-art, metalisasi Cu bertingkat mikroelektronik interkoneksi yang berkisar dari transistor untuk skala panjang papan sirkuit. Aplikasi teknologi berbasis kuat berfungsi sebagai motivator utama untuk diterapkan dan studi mekanistik mendasar yang dapat memacu pengembangan lebih lanjut dan optimalisasi proses elektrodeposisi Cu.

Dengan mikroskop atom (AFM) morfologi permukaan dapat dipelajari pada skala nanometer. AFM tidak terbatas pada permukaan dalam vakum atau udara, tetapi juga dapat digunakan untuk mempelajari antarmuka cair-padat. Setelah permukaan kabel dan dimasukkan dalam sel elektrokimia, reaksi elektrokimia memungkinkan pada antarmuka terprovokasi dan diikuti fungsional oleh arus yang mengalir melalui antarmuka. Dengan AFM, perubahan morfologi permukaan bawah kondisi elektrokimia yang relevan dapat dipelajari secara bersamaan.

Di sini kami menyajikan elektrodeposisi reversibel, atau pelapisan, dari permukaan emas dengan tembaga dari larutan yang mengandung 1 mM sulfat tembaga dan 100 mM asam sulfat untuk meningkatkan konduktivitas elektrolit. Deposisi dan pembubaran tembaga mudah dapat diikuti oleh voltametri siklik. Tembaga-induced perubahan morfologi yang terjadi pada permukaan emas secara bersamaan bisa dicatat dengan melakukan pengukuran AFM dalam cairan elektrolit selama voltametri menggunakan FlexAFM Nanosurf, dan berfungsi untuk mengkonfirmasi dan lebih memahami proses elektrokimia.

Eksperimental Pengaturan

Contoh melakukan bentuk dasar dari sel elektrokimia (lihat Gambar 1). Sebuah sel Kel-F dipasang di atas sampel dan ditekan ke bawah oleh sebuah pelat logam. Untuk mencegah kebocoran, mm 20 mm ¡a 2 O-cincin yang terbuat dari Kalrez 4079 hadir antara sampel dan sel-F Kel. Potensi ditetapkan dan arus diukur dengan potensiostat rumah yang dibangun. Substrat dihubungkan ke elektroda kerja potensiostat yang (kawat merah, kanan tengah) melalui penjepit luar reservoir cair. Elektroda quasireference dan kontra (kabel biru dan hitam, masing-masing) masukkan cairan lewat pinggiran waduk. Elektroda referensi yang digunakan adalah kawat tembaga. Elektroda counter terbuat dari platinum. Solusi elektrolit mengandung 1 mM CuSO ₄ dan 100 mM H ₂ SO _4. Semua percobaan dilakukan dengan resolusi tinggi FlexAFM scan kepala dilengkapi dengan Pemegang Cantilever SA untuk pengukuran langsung di lingkungan cair seperti elektrolit yang digunakan di sini. Kualitas gambar terbaik diperoleh dalam mode Dinamis (dengan Tahap Kontras akuisisi data diaktifkan) menggunakan PPP-NCLAuD cantilevers dari Nanosensors.

Gambar 1: Setup Eksperimental. (Atas) Ikhtisar yang menunjukkan sel elektrokimia pada Tahap Contoh FlexAFM dilengkapi dengan Kamar Pengendalian Lingkungan, Tahap Mikrometer Terjemahan dan isoStage. Kepala memindai FlexAFm ditampilkan berbaring pada sisinya, dilengkapi dengan Pemegang Cantilever SA untuk pengukuran dalam cairan. (Bawah) Close-up dari sel elektrokimia dan kabel digunakan untuk menghubungkan elektroda dan permukaan emas.

Prosedur eksperimental

Sampel yang digunakan dalam percobaan ini terdiri dari 20 mm 20 mm ¡a wafer kaca dengan emas menguap ke permukaan. Emas itu anil api dan didinginkan di bawah aliran nitrogen kering. Setelah pendinginan, sampel itu cepat dipasang di dalam sel elektrokimia dan elektrolit ditambahkan. Orientasi lebih dari film emas (111), sebagaimana disimpulkan dari voltammograms siklik. Tembaga deposisi dan pembubaran dilakukan seperti dijelaskan sebelumnya. Skala potensial pada semua voltammograms siklik adalah memusatkan perhatian pada potensi endapan tembaga ekuilibrium / pembubaran dalam elektrolit.

Hasil

Grafik atas dalam Gambar 2 menunjukkan deposisi bertahap dan pembubaran monolayer tembaga tentang Au (111) (deposisi underpotential, UPD, lihat ref 6.). Dua pasang puncak arus P1/P1 'dan P2 / P2' yang terpisah tiga daerah potensial karakteristik. Wilayah I sesuai dengan adsorpsi teratur tembaga dan ion sulfat pada permukaan emas. Setelah mengubah masa lalu P1 elektroda potensial, socalled (¡¡a ¡i3 i3) sarang lebah-jenis adlayer (wilayah II) dibentuk, terdiri dari 2 / 3 cakupan ion tembaga dan 1 / 3 cakupan sulfat ion. Pada potensial negatif lebih dari P2 (wilayah III), monolayer penuh tembaga terbentuk. Proses ini reversibel pada perjalanan potensi positif. Pada potensial yang lebih negatif dari 0,0 V vs Cu / Cu ^{2 +} (reversibel Nernst potensial) deposisi massal atau overpotensial (OPD) dari tembaga ke monolayer pra-disimpan berlangsung di wilayah IV menurut mekanisme pertumbuhan Stranski-Krastanov.

Dari kurva dalam grafik yang lebih rendah dari Gambar 2 dapat dilihat bahwa jumlah massal diendapkan tembaga meningkat ketika titik balik (bagian kiri bawah dari voltammograms) diubah ke nilai lebih negatif. Besaran dari kedua deposisi negatif dan arus pembubaran positif jelas meningkat. Jumlah material dapat diperkirakan dari arus terpadu melawan waktu, jika proses elektrokimia lainnya diabaikan.

Gambar 2: voltammograms Siklik. Tembaga deposisi (puncak negatif) dan pembubaran (puncak positif) tentang Au (111) dalam 0,1 MH ₂ SO ₄ + 1 mM CuSO _4, tingkat menyapu 0,05 V ¡¤ s ^-1. (Atas) Underpotential deposisi dan pembubaran. (Bawah) overpotensial (massal) depostion dan pembubaran dalam ketergantungan pada titik balik pada potensi negatif.

Gambar 3 menunjukkan gambar AFM dari permukaan Au direkam sebelum deposisi (atas), selama deposisi (tengah) dan selama pembubaran (bawah) dari tembaga. Deposisi bisa dikonfirmasi dari perubahan topografi (kiri), fase (kanan) dan arus yang mengalir melalui elektroda kerja (permukaan emas).

Gambar 3: gambar AFM dari deposisi massal dan pembubaran. Topografi (kiri) dan fase (kanan) dari substrat emas telanjang (atas), substrat selama deposisi (tengah) dan selama pembubaran (bawah). Topografi ditampilkan sebagai data yang diperoleh dan fase sebagai data mentah. Gambar adalah 800 nm dalam ukuran dan identik skala untuk perbandingan.

Untuk gambar atas emas telanjang, permukaan disimpan di potensi positif, di mana tidak ada pengendapan Cu massal terjadi. Selama perekaman gambar tengah, tegangan adalah bersepeda ke nilai E <0,0 V vs Cu / Cu ^{2 +.} Gambar yang direkam selama proses pengendapan massal. Setelah fase 3D bernukleus, pertumbuhan bisa diamati sampai dengan potensi dekat dengan 0.0 V vs ² Cu / Cu ^+. Pembubaran kelompok Cu mulai di E> 0,0 V. meningkatkan laju disolusi dengan potensi meningkat.

Baik deposisi dan pembubaran terjadi dalam waktu yang sangat sempit. Dari permukaan emas terlihat di semua gambar, dapat dilihat bahwa semua gambar direkam pada wilayah yang sama. Semua gambar memiliki dimensi 800 nm 800 nm ¡a dan skala identik di Z (morfologi: data yang diperoleh dengan Sobel Filter, pusat-skala antara ¨ C20 dan +20; fase: data mentah diskala untuk berbagai derajat 20 dengan identik diimbangi ).

Kesimpulan

Percobaan yang dijelaskan di sini menunjukkan bahwa proses elektrokimia dapat dipantau elegan di situ oleh EC-AFM. Untuk tujuan ini, FlexAFM dilengkapi dengan potensiostat dan pemegang sampel khusus, cocok untuk percobaan elektrokimia. Pengendapan tembaga dapat dikemudikan melalui tegangan yang diberikan oleh potensiostat dan dipantau melalui arus yang mengalir melalui substrat emas. Perubahan morfologi bisa dicatat selama deposisi dan pembubaran tembaga. Percobaan berfungsi sebagai bukti konsep untuk mempelajari deposisi logam, korosi atau fenomena elektrokimia pada skala nano dengan EC-AFM.

Ucapan Terima Kasih

Pekerjaan ini dilakukan bekerjasama dengan Ilya Pobelov, Artem Mishchenko dan Thomas Wandlowski (Departemen Kimia dan Biokimia, University of Bern, Swiss) dan Gabor Meszaros dan Tamas Pajkossy (Institute of Material dan Kimia Lingkungan, Pusat Penelitian Kimia, Hungaria Academy of Sciences , Budapest, Hongaria).

Sumber: Nanosurf

Untuk informasi lebih lanjut tentang sumber ini silahkan kunjungi Nanosurf