电化学制备金属多层膜001.docVIP

电化学法制备纳米金属多层膜研究 1前言 自1921年Blum采用双槽法制备出多层膜以来，多层膜成为材料学和物理学工作者研究的热门课题[5、6]。当多层膜厚度小于100 nm时表现出“尺寸量子效应”,使多层膜具有特殊。 金属多层膜的制备方法有物理方法和化学方法。物理方法主要包括粒子束溅射沉积、磁控溅射沉积、真空蒸镀、分子束外延、低能团簇束沉积法等。化学方法主要有双槽法和单槽法。物理方法制备金属多层膜对设备要求高，工艺过程复杂，制备时间长，成本高，很难进行大面积镀覆。而且高温高压下，多层膜容易发生扩散。 本文用槽法制备不同调制波长的Cu/金属多层膜，用槽法制备不同调制波长的Cu/金属多层膜，用扫描电子显微镜观察了多层膜的层状结构，并用显微硬度计测试了多层膜的显微硬度，分析多层膜显微硬度与调制波长的关系。 对基进行预处理，将表面预处理好的用HCL溶液浸泡15~20s进行表面活化，用蒸馏水将试样冲洗干净。含有+和+的电解槽中，与电化学工作站对应的三个电极相接，在计算机上设置阶跃电位参数后运行，就可以在工作电极表面获得金属层和金属层分布的多层膜。图1 单槽法制备多层膜装置示意图计算机 2.电化学工作站 3.辅助电极石墨 4.工作电极纯铜 5.饱和甘汞参比电极 6.磁力搅拌器）表镀液。 mV／s，扫描范围为0~﹣2V。 表、薄膜镀液成分及Tab.1 Plating bath composition and technological parameters for electroplating Ag, Cu thin film 表 电沉积Cu/Ni薄膜镀液成分 Cu/Ni镀液 CuSO4.5H2O 1g·L-1 NiSO4·6H2O 18g·L-1 Na3C6H5O7.2H2O 75g·L-1 图2 室温下阴极的极化曲线0.5 V左右时曲线出现一个平台，-1.1 V左右时，电流迅速增长且又出现一个平台，说明镍开始在电极上析出，并随着沉积电位的负移，镍的沉积速率逐渐增大。考虑到镀液中同时含有铜离子和镍离子，在电位较负时，2种金属离子将同时析出。为了尽可能降低镍层中的铜含量，又保持较高的电流效率，选择Cu的沉积电位为-0.5V，Ni的沉积电位为-1.1V。 制备Cu/Ni金属多层膜之前，首先要计算Cu在Ni上和Ni在Cu上的沉积速率，根据选定的电位，在-0.5V和-1.1V分别进行Cu膜和Ni膜的沉积。实验中首先在基片上预镀Ni10min，再镀Cu1h后取出，测量膜厚。膜厚与沉积时间的比值即为Cu在Ni膜上的沉积速率，重复试验三次测得Cu在Ni上的沉积速率为0.87 nm·s-1。测得Ni在Cu上的沉积速率为2.10 nm·s-1。μm。 实验选用阶跃电位模式进行电镀，电位波形图如图3所示。其中脉冲电位分别为﹣0.5 V与﹣1.1 V，脉冲宽度可控，由调制波长以及沉积速率确定 图3 控电位沉积多层膜的电位脉冲 图4 实验过程中的I-t曲线图阴极含有+的电解和含+的电解交替电镀获得金属层和金属层分布的多层膜。 图5 双槽法制备Cu/Ag金属多层膜示意图 1-电解槽；2-固定阳极；3-移动阴极；4-固定阳极 表镀液组分。表Cu、Ag薄膜镀液成分及Tab.1 Plating bath composition and technological parameters for electroplating Ag, Cu thin film Cu镀液 AgNO3镀液 CuSO4.5H2O 200 g·L-1 AgNO3 40~45 g·L-1 H2SO4 60 g·L-1 Na2S2O3 200~250 g·L-1 HCL 1 mL·L-1 K2S2O5 40~45 g·L-1 添加剂 5 mL·L-1 CH3COONH4 20~30 g·L-1 pH值 4～6 pH值 5~6 温度温度() 25 ℃ 电流密度0.08 mA·mm-2 电流密度 0.02 mA·mm-2 I=S·Jk（式中：I (mA)为沉积电流S (mm2)为试样面积Jk (mA·mm-2)为电流密度）·s-1，Ag在Cu上的沉积速率2.289 nm·s-1。 实验制备了调制波长分别为300，200，100，75和50 nm的多层膜试样，多层膜试样膜层总厚均为36 μm。 3 结果与分析 3.1多层膜样品硬度测量及截面观察 利用MH-3型显微硬度仪测量多层膜试样的显微硬度，载荷为50 g，保载时间5 s，压痕深度小于膜层总厚的1/10，利用JSM-5610LV型扫描电子显微镜在10 000–3 000倍下观察多层膜试样的截面显微组织形貌。 由SEM照片可以看出，实验制备的Cu/Ni和Cu/Ag多层膜膜层平整，层间界清晰。 3.2 Cu/Ag多层