基本介紹
- 中文名：電化學沉積
- 外文名：Electrochemical deposition
- 理論基礎：物理化學與電化學
- 反應類型：氧化還原反應
- 反應實質：正負離子的遷移並發生得失電子
- 特點：產品的質量較好
電化學沉積的特點,定位電化學沉積設備,電化學沉積鍍層的形成與結合,
電化學沉積的特點
(1)電解液配方。電解質溶液的配方即電解質的強弱對通過電流的大小、多少有重要影響。
(2)電量。電流通過電解質溶液時，通過電極的電量與發生電極反應的物質的量成正比。這就是著名的法拉第定律。
(3)電壓。外加電壓的大小能夠改變離子的遷移速度，而離子傳輸的電量則與離子的遷移速度成正比。即外加電壓與離子傳輸的電量成正比關係。
(4)離子遷移。電解質溶液的濃度和溫度直接決定著離子遷移數，也決定著該種離子所傳輸的電量在通過溶液的總電量中所占的分數。在相同電場力作用下不同離子的遷移速度並不相同，離子的遷移速度與離子的活度、價數及絡合離子半徑等因素有關。
(5)電極極化。電流通過電極時，電極電位就偏離平衡電極電位而產生極化。在其他條件相同時，極化與流過電極的電流密度有密切關係，即通過電極的電流密度愈大，電極電位偏離平衡電極電位也愈大，極化作用愈大。在電鍍生產中，為了獲得緻密結晶的鍍層，必須使陰極在較大的極化條件進行金屬的電沉積過程。在鍍液中加入絡合劑來增強陰極極化是提高金屬電沉積鍍層質量的有效方法。
(6)陰極電流效率。電沉積過程中，在陰極上析出的金屬的分布不僅與電流密度分布有關，還與其在遠、近陰極上析出時的電流效率有關。
(7)金屬離子還原的可能性原則上，只要陰極的電極電位足夠負，任何金屬離子都可能在陰極上被還原並電沉積。
定位電化學沉積設備
定位電化學沉積設備如圖1所示，頂端針狀的點狀電極(微電極)安裝在電解液內，並將它移向並靠近需要沉積的表面。在電極和基板間加上電壓後，電場導致電化學沉積(電鍍)效應，但它只限於針電極下方的有限區域。
原則上，用定位電化學沉積的方法就可製造出完整的三維微結構件，只要製品是電導體，能與基板電極始終保持電連線就行。可以理解，此工藝的空間解析度取決於微電極的尖端直徑。這種技術的另一個重要參數是它的電沉積速率，定位電沉積垂直沉積速率可以達到61μm/s，比一般電鍍工藝的要高出100倍。
對定位電化學沉積形成的剖面輪廓來說，微電極的幾何形狀是非常關鍵的。圖中示出了兩種不同構態的微電極：一種是電極的長度方向完全用絕緣體包裹。只露出一個圓形的頂端；另一種則是除了圓形頂端之外還露出了部分電極圓錐體。錐體的角度為280，它正好是刻蝕針尖時的圓錐角度。基板和電極頂端面之間的距離大致就是端面直徑的大小。用不同電極沉積而成的輪廓表明，只有頂端面暴露在電解液中的電極才具有較好的平面解析度。
圖1
電化學沉積鍍層的形成與結合
鍍層是採用電鍍(或化學鍍)所獲得的一種覆層。通常電鍍(或化學鍍)都是在有大量電解質及溶劑分子的溶液中使金屬表面形成覆層的過程,並稱之為濕法鍍,而區別於金屬的氣相沉積之類的乾法鍍。就鍍層的晶體學結構來說，金屬的濕法鍍和乾法沉積表現出完全相同的物理現象，具有相似的研究方法和製取方式。但是濕法鍍層的形成及界面結合機理卻更多地涉及物理、化學以及金屬學等學科，其理論研究的進展完全依賴於上述等學科的理論和先進技術手段的套用及發展。
電沉積過程發生於電極--溶液的界面，因此要理解鍍層沉積的原理，便要分析電極--溶液界面的基本反應和與此相聯繫的各個反應步驟。電沉積進行時，電流從一個固體相的電極通過界面流人溶液，然後又穿越溶液與另一電極的界面從這個電極流出。電荷的傳遞是由一連串性質不同的步驟串聯而成的一種複雜過程，在有些情況下還可能包含某些並聯其中的副反應。由於串聯的約束，整個過程中的各個步驟的進行速度要被迫趨於相等，這樣電極上不可逆反應速度才能進人穩定狀態，電子才能按順序正常地流動。
一般金屬電沉積的歷程可以區分為傳質過程、表面轉化、電化學步驟及相生成幾個步驟。上述串聯過程的整體反應速度將受反應最難或最慢的步驟控制，即其餘的步驟將被迫以相同的速度進行，因而各步驟是既相互聯繫又相互影響的。在金屬離子電沉積中，一般液相傳質步驟往往進行得比較慢，因而該步驟常決定整個電極反應的進行速度。
在電鍍中，電極界面處的金屬離子因不斷發生放電而被消耗，這種消耗由溶液本體中的離子來補充。這種消耗與輸送過程使得越靠近電極表面處的離子濃度越低，即形成了向電極方向的濃度梯度。在溶液中，反應粒子的傳送(液相傳質)是通過電遷移、對流和擴散三種方式來完成的。
