Bulk Kobber Nedfall på Gold Studerte i en EC-AFM Application Bruke FlexAFM fra Nanosurf

Emner som dekkes

Bakgrunn
Oppsummering
Innledning
Eksperimentell Setup
Eksperimentelle prosedyrer
Resultater
Konklusjon
Takk til

Bakgrunn

Nanosurf er en ledende leverandør av enkle å bruke atomic force mikroskop (AFM) og scanning tunneling mikroskop (STM). Våre produkter og tjenester er klarert av fagpersoner over hele verden for å hjelpe dem måle, analysere og presentere 3D overflate informasjon. Våre mikroskoper utmerke seg gjennom sin kompakt og elegant design, deres enkel håndtering, og absolutt pålitelighet.

Oppsummering

Denne rapporten viser effektivt evne til FlexAFM å overvåke morfologiske endringer under electrodeposition av materialet på en elektrode overflaten. I dataene som vises her, ble kobber avsettes på en flamme annealed gull overflate. Den avsetning prosessen ble vist å være fullt reversible: Ved lave potensialer kobber ble avsatt og ved høyere potensialer det ble oppløst igjen. Nedfall og oppløsning skjedde svært raskt, i løpet av ett AFM skanning linje.

Innledning

Samspillet av objekter med sine omgivelser er i stor grad overføres over overflaten. Ved påføring av et belegg, kan overflaten egenskaper justeres for å beskytte objektet mot slitasje mekanismer, som f.eks slitasje eller korrosjon. Slitasje kan reduseres ved hjelp av et hardt belegg som kan motstå høye normal eller skjærkrefter, eller ved et belegg med smørende egenskaper. Korrosjon kan reduseres ved dekning av en mottakelig metall med en mer motstandsdyktig ett, f.eks Nickel. I tillegg kan slike belegg også brukes for kosmetiske grunner, for eksempel å endre utseendet på overflaten. En mulighet å belegge en gjenstand med et ledende belegg, er generelt et metall, galvanisering, der kationer fra en løsning er el på den på et egnet potensial. På den valgte potensial, er kationer av en ønsket materiale redusert fra løsningen og innskudd på objektet som et tynt lag. Blant andre faktorer, vil kvaliteten på galvanoteknisk hovedsak avhengig av underlaget morfologi og kinetikk for deponering.

Den Cu Damaskus electrodeposition i særdeleshet er en viktig fabrikasjon prosessen, i dag brukes i state-of-the-art, sammenkoblinger nivåer Cu Metalliseringen av mikroelektroniske som spenner fra transistor til kretskort lengde skala. Denne sterkt teknologidrevet applikasjonen fungerer som en viktig motivator for anvendt og grunnleggende mekanistiske studier som kan bidra til videre utvikling og optimalisering av Cu electrodeposition prosessen.

Med et atomic force mikroskop (AFM) overflaten morfologi kan studeres på nanometer skala. AFM er ikke begrenset til flater i vakuum eller luft, men kan også brukes til å studere væske-solid grensesnitt. Å ha overflaten kablede og innlemmet i en elektrokjemisk celle, tillater elektrokjemiske reaksjoner på grensesnittet til å være provosert og fulgt funksjonelt av straumen gjennom grensesnittet. Med AFM, kan endringer i overflaten morfologi under disse elektrokjemisk relevante forhold bli undersøkt samtidig.

Her presenterer vi de reversible electrodeposition, eller plating, av en gull overflate med kobber fra en løsning som inneholder 1 mm kobber sulfat og 100 mM svovelsyre å øke elektrolytten ledningsevne. Nedfall og oppløsning av kobber kan lett bli etterfulgt av syklisk voltammetry. Den kobber-indusert morfologiske endringene som skjer på gull overflate kan samtidig være registrert ved å utføre AFM målinger i flytende elektrolytt under voltammetry bruker Nanosurf FlexAFM, og tjener til å bekrefte og bedre forstå den elektrokjemiske prosessen.

Eksperimentell Setup

En gjennomfører prøven danner bunnen av elektrokjemisk celle (se figur 1). Et Kel-F celle ble montert på toppen av prøven og presset ned av en metallplate. For å hindre lekkasje, en 20 mm ¡Á 2 mm O-ringen er laget av Kalrez 4079 var til stede mellom prøven og Kel-F celle. Potensialer ble satt og strømmer måles med en hjemme-bygget potentiostat. Underlaget var koblet til arbeidet elektrode av potentiostat (rød ledning, midten til høyre) via en klemme ut væsken reservoaret. Den quasireference og mot elektroder (kablet blå og svart, henholdsvis) inn væsken over kanten av reservoaret. Referansen elektroder brukte var en kobbertråd. Telleren elektrode var laget av platina. Elektrolytten Løsningen inneholdt 1 mM CuSO ₄ og 100 mm H ₂ SO _4. Alle forsøkene ble utført med en høy oppløsning FlexAFM scan hode utstyrt med et Cantilever Holder SA for enkel målinger i flytende miljøer som elektrolytt som brukes her. Best bildekvalitet ble oppnådd i Dynamic-modus (med fasekontrast datainnsamling aktivert) bruker PPP-NCLAuD cantilevers fra nanosensorer.

Figur 1: Experimental Setup. (Til toppen) Oversikt som viser elektrokjemisk celle på en FlexAFM Sample Stage utstyrt med Environmental Kontroll Chamber, mikrometer Oversettelse Stage og isoStage. Den FlexAFm scan hode er vist liggende på siden, utstyrt med en Cantilever Holder SA for målinger i flytende. (Bottom) Nærbilde av den elektrokjemiske cellen og ledninger som brukes til å koble elektroder og gull overflate.

Eksperimentelle prosedyrer

Prøven brukes i disse forsøkene besto av en 20 mm ¡Á 20 mm glass wafer med gull fordampet på overflaten. Gullet var flamme-glødet og avkjølt under en strøm av tørr nitrogen. Etter avkjøling ble prøven raskt montert i elektrokjemisk celle og elektrolytt ble lagt til. Foretrekke orientering av gull filmen var (111), som konkluderte fra sykliske voltammograms. Kobber avsetning og oppløsningen ble utført som beskrevet tidligere. Potensialet skalaen på alle sykliske voltammograms ble nullstilt ved likevekt potensialet av kobber deponering / oppløst i elektrolytten.

Resultater

Den øverste grafen i figur 2 viser trinnvis avsetning og oppløsning av en kobber monolayer på Au (111) (underpotential deponering, UPD, se ref 6).. De to parene av nåværende topper P1/P1 'og P2 / P2' separate tre karakteristiske potensielle regioner. Region I tilsvarer uordnede adsorpsjon av kobber og sulfat-ioner på gull overflater. Ved endring av elektrode potensialet siste P1, den såkalte (¡I3 ¡Á ¡I3) honeycomb-type adlayer (region II) er dannet, består av 2 / 3 kobber ion dekning og 1 / 3 sulfat ion dekning. Ved mer negative potensialer enn P2 (region III), en full monolayer av kobber er dannet. Disse prosessene er reversible ved positive potensial ekskursjon. På potensialer mer negativ enn 0,0 V vs Cu / Cu ^{2 +} (reversibel Nernst potensial) bulk eller overpotential nedfall (OPD) av kobber på pre-deponerte monolayer foregår i regionen IV ifølge en Stranski-Krastanov vekst mekanisme.

Fra kurvene i nedre grafen i figur 2 kan det sees at mengden av bulk deponert kobber øker når vendepunktet (nedre venstre del av voltammograms) er endret til mer negative verdier. Den omfanget av både negative avsetning og de positive oppløsningen strømmer klart øke. Mengden av materialet kan estimeres fra den integrerte aktuell mot tiden, hvis andre elektrokjemiske prosesser er neglisjert.

Figur 2: Syklisk voltammograms. Kobber nedfall (negative topper) og oppløsning (positive topper) på Au (111) i 0,1 MH ₂ SO ₄ + 1 mM CuSO _4, feie sats 0,05 V ¡¤ s ^-1. (Til toppen) Underpotential avsetning og oppløsning. (Nederst) Overpotential (bulk) depostion og oppløsning i avhengighet vendepunktet på negative potensial.

Figur 3 viser AFM bilder av Au overflaten registrert før nedfall (øverst), under nedfall (midten) og under oppløsning (nederst) av kobber. Deponering kunne bekreftes fra endringen i topografi (venstre), fase (høyre) og straumen gjennom arbeidsdagen elektroden (gull overflate).

Figur 3: AFM-bilder av bulk avsetning og oppløsning. Topografi (venstre) og fase (høyre) av nakne gull substrat (øverst), underlaget under nedfall (midten) og under oppløsning (nederst). Topografi vises som avledet data og fase som rådata. Bildene er 800 nm i størrelse og identisk skalert for sammenligning.

For den øverste bildet av den nakne gull, var overflaten holdes på et positivt potensiale, der ingen Cu bulk deponering oppstår. Under innspillingen av den midterste bildene, spenningen ble syklet til verdier E <0,0 V vs Cu / Cu ^{2 +.} Bilder ble registrert under bulk deponering prosessen. Når 3D-fasen var kjerneholdige, kan veksten bli observert opptil potensialer nær 0,0 V vs Cu / Cu ^{2 +.} Oppløsning av Cu klynger startet på E> 0,0 V. Den oppløsningen øker med økende potensial.

Både deponering og oppløsning forekommer i en snever tidsramme. Fra gull flater synlig i alle bildene, ser man at alle bilder som ble registrert på samme område. Alle bildene har en dimensjon på 800 nm ¡Á 800 nm og ble skalert likt i Z (morfologi: avledet data med Sobel filter, senter-skalert mellom ° C20 og 20; fase: rådata skalert til en 20 grader utvalg med identisk offset ).

Konklusjon

Forsøket beskrives her viser at elektrokjemiske prosesser kan elegant overvåkes in situ ved EC-AFM. For dette formål FlexAFM var utstyrt med en potentiostat og en spesiell prøve holderen, egnet for elektrokjemisk eksperimenter. Den kobber deponering kan styres via spenningen brukes av potentiostat og overvåkes via straumen gjennom gull underlaget. Den morfologiske endringer kan være registrert under avsetning og oppløsning av kobber. Eksperimentet fungerer som proof of concept å studere metall deponering, korrosjon eller andre elektrokjemiske fenomener på nanoskala med EC-AFM.

Takk til

Dette arbeidet ble utført i samarbeid med Ilya Pobelov, Artem Mishchenko og Thomas Wandlowski (Institutt for kjemi og biokjemi, Universitetet i Bern, Sveits) og Gabor Meszaros og Tamas Pajkossy (Institute of Materials and Environmental Chemistry, Chemical Research Centre, Hungarian Academy of Sciences , Budapest, Ungarn).

Kilde: Nanosurf

For mer informasjon om denne kilden besøk Nanosurf