Nanosurf からの FlexAFM を使用して EC-AFM アプリケーションで調査される金のバルク銅の沈殿

カバーされるトピック

背景
概要
導入
実験セットアップ
実験プロシージャ
結果
結論
確認応答

背景

Nanosurf は使いやすい原子力の顕微鏡およびスキャンのトンネルを掘る顕微鏡の (AFM)一流の提供者です (STM)。 私達の製品およびサービスは専門家によって 3D に表面情報を測定し、分析し、示すためにそれらを助けるように世界的に信頼されます。 私達の顕微鏡はコンパクトで、優雅なデザイン、容易な処理、および絶対信頼性によって勝ります。

概要

このレポートは電極の表面の材料の電着の間にモニタの形態学上の変更に効果的に FlexAFM の能力を示します。 ここに示されているデータでは銅は炎によってアニールされた金の表面で沈殿しました。 沈殿プロセスは十分に可逆であるために示されていました: 低い潜在性で銅は沈殿し、より高い潜在性で再度分解しました。 沈殿および分解は 1 つの AFM の走査線の内で、非常に急速に起こりました。

導入

環境の目的の相互作用は表面に主として送信されます。 コーティングのアプリケーションによって摩耗または腐食のような摩耗のメカニズムから目的を保護するために、表面の特性は調節することができます。 摩耗は高く正常なまたはせん断力に抵抗できるまたは特性の注油を用いるコーティングによってことができます堅いコーティングの使用によって減らす。 腐食はより抵抗力がある 1 の敏感な金属、例えばニッケルの適用範囲によって減らすことができます。 さらに、そのようなコーティングはまた例えば表面の出現を変更する装飾的な理由のために応用である場合もあります。 行なうコーティング、一般に解決からの陽イオンが適した潜在性のそれで electrodeposited 金属と目的に塗る 1 つの可能性は電気めっきしています。 指定潜在性で、望ましい材料の陽イオンは解決から減り、目的で薄層として沈殿します。 他の要因の間で、金属メッキの品質は沈殿の基板の形態そして動力学によって主に決まります。

電着によってが特に主製造プロセス、現在マイクロエレクトロニックの最新式の、多重レベル Cu のメタライゼーションでである使用される Cu の Damascene はことトランジスターからのサーキット・ボードの長さのスケールに範囲相互接続します。 この強く技術主導のアプリケーションは Cu の電着プロセスのそれ以上の開発そして最適化に拍車をかけることができる応用および基本的で機械論的な調査のための主意欲の元として役立ちます。

原子力の顕微鏡の表面 (AFM)を使うと形態はナノメーターのスケールで調査することができます。 AFM は真空または空気の表面に制限されませんでしたり、また液体固体インターフェイスを調査するのに使用することができます。 ワイヤーで縛られ、組み込んで表面を電気化学のセルでもらって、インターフェイスの電気化学の反作用がインターフェイスを現在の貫流に機能的に誘発され、先行させているようにします。 AFM を使うと、これらの電気化学的に関連した条件の下の表面の形態の変更は同時に調査することができます。

ここに私達は電解物の伝導性を高めるために硫酸塩 1 つの mM 銅および硫酸 100 つの mM の含んでいる解決からの銅と金の表面の可逆電着、か、めっきを示します。 銅の沈殿そして分解は循環ボルタンメトリーに容易に先行できます。 金の表面に発生する銅誘発の形態学上の変更は Nanosurf FlexAFM を使用してボルタンメトリーの間にによって行うことおよびサーブ同時に電気化学プロセスを確認し、よりよく理解するために AFM の測定を液体の電解物で記録できます。

実験セットアップ

行なうサンプルは電気化学のセルの底を形作ります (図 1) を見て下さい。 Kel-F のセルはサンプルの上に取付けられ、金属板によって押し下げられました。 漏出を防ぐため、 20 の mm の ¡ Á は Kalrez 4079 からなされた 2 つの mm の O リングサンプルと Kel-F のセル間で現在でした。 家庭製の potentiostat と測定された潜在性は一定および流れでした。 基板は potentiostat (赤いワイヤー、中道右派) の働く電極に液体の貯蔵所の外のクランプで接続されました。 quasireference および対極は (ワイヤーで縛られた青および黒い、それぞれ) 貯蔵所の縁上の液体を入力します。 使用された照合電極は銅線でした。 対極はプラチナから成っていました。 電解物の解決は 1 つの mM CuSO および4 100 つの mM HSO を含んでいました24。 すべての実験はここに使用された電解物のような液体の環境の簡単な測定のための片持梁ホールダー SA が装備されている高解像の FlexAFM の走査ヘッドによって遂行されました。 最もよい画像の品質はダイナミックなモードで Nanosensors からの PPPNCLAuD 片持梁を使用して (可能にされて段階の対照のデータ収集が) 得られました。

図 1: 実験セットアップ。 (環境制御区域が装備されている FlexAFM のサンプル段階マイクロメートルの変換の段階および isoStage の電気化学のセルを示す上の) 概要。 FlexAFm の走査ヘッドは液体で測定のための片持梁ホールダー SA が装備されている側面にあることを示されています。 (電気化学のセルの最下の) クローズアップおよび電極および金を接続するのに使用される配線は浮上します。

実験プロシージャ

これらの実験で使用されたサンプルは 20 の mm の ¡ Á から表面に蒸発した金が付いている 20 の mm のガラスウエファー成っていました。 金は乾燥した窒素のストリームの下で炎アニールされ、冷却されました。 冷却の後で、サンプルは電気化学のセルにすぐに取付けられ、電解物は追加されました。 金のフィルムの望ましいオリエンテーションは (111)、ありました循環 voltammograms から完了されるように。 銅の沈殿および分解は先に記述されているように遂行されました。 すべての循環 voltammograms の潜在的なスケールは電解物の銅の沈殿/分解の平衡の潜在性でゼロになりました。

結果

図 2 の上部グラフは Au (111) (underpotential 沈殿の銅の単一層の段階的な沈殿そして分解を、 UPD 示します; 参考 6) を見て下さい。 流れのピーク P1/P1'and P2/P2 の 2 つのペアは 3 つの独特の潜在的な領域を分けます。 領域 I は金の表面の銅および硫酸塩イオンの不調な吸着に対応します。 P1 を過ぎた電極電位を変更した上、いわゆる (¡ Ì3 の ¡ Á の ¡ Ì3) 蜜蜂の巣タイプの adlayer (領域 II) は、 2/3 の銅イオン適用範囲および 1/3 の硫酸塩イオン適用範囲で構成されて形作られます。 P2 より否定的な潜在性 (領域 III) は、銅の完全な単一層形作られます。 これらのプロセスは肯定的で潜在的な脱線に可逆です。 0.0 ボルト対 Cu/Cu (ネルンストの可逆潜在性) の2+ 大きさまたは前沈殿させた単一層に銅の overpotential (OPD) 沈殿より否定的な潜在性で Stranski-Krastanov の成長のメカニズムに従って領域 IV で起こります。

図 2 のより低いグラフのカーブからそれは分岐点 (voltammograms の左下の部品) がより否定的な値に変更されるとき大きさによって沈殿させる銅の量が増加すること見ることができます。 否定的な沈殿および肯定的な分解の流れ両方の大きさははっきり増加します。 材料の量は時間に対する統合された流れから他の電気化学プロセスが無視されれば推定することができます。

図 2: 循環 voltammograms。 銅の沈殿 (否定的なピーク) および 0.1 M の Au (111) の分解 (肯定的なピーク) HSO24 + 1 つの mM CuSO4、広がりのレート 0.05 V の ¡ ¤s.-1 (上の) Underpotential の沈殿および分解。 (否定的な潜在性の分岐点への依存の Overpotential の最下の) (バルク) depostion そして分解。

図 3 沈殿の前に (上)、沈殿の間に (中間) そして銅の分解 (底) の間に記録される Au の表面のショー AFM の画像。 沈殿は地形 (去りました)、段階 (右の) および現在の貫流の変更から働く電極 (金の表面) を確認できます。

図 3: バルク沈殿および分解の AFM の画像。 地形 (残っている) および裸の金の基板 (上)、沈殿 (中間) と分解 (底) の間の基板の段階 (右の)。 地形は生データとして得られたデータおよび段階として表示されます。 画像は比較のために 800 nm そして全く同じに位取りされます。

裸の金の上の画像のために、表面は Cu の大きさの沈殿が発生しない肯定的な潜在性で保たれました。 中間の画像の記録の間に、電圧は値に E < 0.0 ボルト対 Cu/Cu 循環しました2+。 画像はバルク沈殿プロセスの間に記録されました。 3D 段階が nucleated、成長は 0.0 ボルトの近くの潜在性まで対 Cu/Cu 観察されてもよい2+。 Cu クラスタの分解はで E > 0.0 V. 開始しました。 増加する潜在性の分解のレートの増加。

沈殿および分解は両方非常に狭い時間枠に発生します。 すべての画像で目に見える金の表面からそれはすべての画像が同じ領域に記録されたこと見ることができます。 すべての画像に 800 nm の ¡ Á 800 nm の次元があり、 Z (形態で全く同じに位取りされました: Sobel の得られたデータは、 ¨C20 と +20 の間で中心位取りされてフィルタに掛けます; 段階: 程度 20 に位取りされる生データは同一のオフセットと及びます)。

結論

ここに記述されている実験は電気化学プロセスが EC-AFM によって優雅にそのままで監察することができることを示します。 これを受けて、 FlexAFM は電気化学の実験のために適した potentiostat および特別なサンプルホールダーが装備されていました。 銅の沈殿は potentiostat によって適用され、金の基板を現在の貫流によって監視される電圧によって操縦することができます。 形態学上の変更は銅の沈殿そして分解の間に記録できます。 実験は概念実証として EC-AFM の nanoscale で金属の沈殿、腐食または他の電気化学現象を調査するのに役立ちます。

確認応答

この作業は Ilya Pobelov と共同して、 Artem Mishchenko およびトマス Wandlowski (部門および生物化学、ベルンの化学の大学、スイス連邦共和国) およびガボール Meszaros および Tamas Pajkossy (協会、化学研究所、材料および環境化学のハンガリーの科学アカデミー、ブダペスト、ハンガリー) 行われました。

ソース: Nanosurf

このソースのより多くの情報のために Nanosurf を訪問して下さい

Date Added: Mar 4, 2011 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 07:02

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