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電化學(xué)沉積
電化學(xué)是研究化學(xué)現(xiàn)象與電現(xiàn)象之間的相互關(guān)系以及化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化規(guī)律的學(xué)科。電化學(xué)沉積是指在外電場(chǎng)作用下電流通過(guò)電解質(zhì)溶液中正負(fù)離子的遷移并在電極上發(fā)生得失電子的氧化還原反應(yīng)而形成鍍層的技術(shù)。在陰極產(chǎn)生金屬離子的還原而獲得金屬鍍層，稱為電鍍。在陽(yáng)極發(fā)生陽(yáng)極金屬的氧化而形成合用的氧化膜，稱為金屬的電化學(xué)氧化，簡(jiǎn)稱金屬的電氧化。
電化學(xué)沉積與化學(xué)鍍的最大區(qū)別在于雖然都是在溶液中進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，但前者是在外電場(chǎng)作用下通過(guò)電解質(zhì)溶液中正負(fù)離子的遷移而在電極上發(fā)生氧化還原反應(yīng)形成鍍層的；后者則是通過(guò)化學(xué)鍍液在工件的自催化作用下在工件表面直接形成鍍層的。
基本信息
| 中文名 | 電化學(xué)沉積 |
| 外文名 | Electrochemical deposition |
| 特點(diǎn) | 產(chǎn)品的質(zhì)量較好 |
| 理論基礎(chǔ) | 物理化學(xué)與電化學(xué) |
| 反應(yīng)類型 | |
| 反應(yīng)實(shí)質(zhì) | 正負(fù)離子的遷移并發(fā)生得失電子 |
收起
電化學(xué)沉積的特點(diǎn)
(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?shù)碾娏縿t與離子的遷移速度成正比。即外加電壓與離子傳輸?shù)碾娏砍烧汝P(guān)系。
(4)離子遷移。電解質(zhì)溶液的濃度和溫度直接決定著離子遷移數(shù)，也決定著該種離子所傳輸?shù)碾娏吭谕ㄟ^(guò)溶液的總電量中所占的分?jǐn)?shù)。在相同電場(chǎng)力作用下不同離子的遷移速度并不相同，離子的遷移速度與離子的活度、價(jià)數(shù)及絡(luò)合離子半徑等因素有關(guān)。
(5)電極極化。電流通過(guò)電極時(shí)，電極電位就偏離平衡電極電位而產(chǎn)生極化。在其他條件相同時(shí)，極化與流過(guò)電極的電流密度有密切關(guān)系，即通過(guò)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(chǎn)中，為了獲得致密結(jié)晶的鍍層，必須使陰極在較大的極化條件進(jìn)行金屬的電沉積過(guò)程。在鍍液中加入絡(luò)合劑來(lái)增強(qiáng)陰極極化是提高金屬電沉積鍍層質(zhì)量的有效方法。
(6)陰極電流效率。電沉積過(guò)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(guān)，還與其在遠(yuǎn)、近陰極上析出時(shí)的電流效率有關(guān)。
(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(fù)，任何金屬離子都可能在陰極上被還原并電沉積。
定位電化學(xué)沉積設(shè)備
定位電化學(xué)沉積設(shè)備如圖所示，頂端針狀的點(diǎn)狀電極(微電極)安裝在電解液內(nèi)，并將它移向并靠近需要沉積的表面。在電極和基板間加上電壓后，電場(chǎng)導(dǎo)致電化學(xué)沉積(電鍍)效應(yīng)，但它只限于針電極下方的有限區(qū)域。
原則上，用定位電化學(xué)沉積的方法就可制造出完整的三維微結(jié)構(gòu)件，只要制品是電導(dǎo)體，能與基板電極始終保持電連接就行。可以理解，此工藝的空間分辨率取決于微電極的尖端直徑。這種技術(shù)的另一個(gè)重要參數(shù)是它的電沉積速率，定位電沉積垂直沉積速率可以達(dá)到61μm/s，比一般電鍍工藝的要高出100倍。
對(duì)定位電化學(xué)沉積形成的剖面輪廓來(lái)說(shuō)，微電極的幾何形狀是非常關(guān)鍵的。圖中示出了兩種不同構(gòu)態(tài)的微電極：一種是電極的長(zhǎng)度方向完全用絕緣體包裹。只露出一個(gè)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(shí)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分辨率。
電化學(xué)沉積鍍層的形成與結(jié)合
鍍層是采用電鍍(或化學(xué)鍍)所獲得的一種覆層。通常電鍍(或化學(xué)鍍)都是在有大量電解質(zhì)及溶劑分子的溶液中使金屬表面形成覆層的過(guò)程，并稱之為濕法鍍，而區(qū)別于金屬的氣相沉積之類的干法鍍。就鍍層的晶體學(xué)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，金屬的濕法鍍和干法沉積表現(xiàn)出完全相同的物理現(xiàn)象，具有相似的研究方法和制取方式。但是濕法鍍層的形成及界面結(jié)合機(jī)理卻更多地涉及物理、化學(xué)以及金屬學(xué)等學(xué)科，其理論研究的進(jìn)展完全依賴于上述等學(xué)科的理論和先進(jìn)技術(shù)手段的應(yīng)用及發(fā)展。
電沉積過(guò)程發(fā)生于電極--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(yīng)和與此相聯(lián)系的各個(gè)反應(yīng)步驟。電沉積進(jìn)行時(shí)，電流從一個(gè)固體相的電極通過(guò)界面流人溶液，然后又穿越溶液與另一電極的界面從這個(gè)電極流出。電荷的傳遞是由一連串性質(zhì)不同的步驟串聯(lián)而成的一種復(fù)雜過(guò)程，在有些情況下還可能包含某些并聯(lián)其中的副反應(yīng)。由于串聯(lián)的約束，整個(gè)過(guò)程中的各個(gè)步驟的進(jìn)行速度要被迫趨于相等，這樣電極上不可逆反應(yīng)速度才能進(jìn)人穩(wěn)定狀態(tài)，電子才能按順序正常地流動(dòng)。
一般金屬電沉積的歷程可以區(qū)分為傳質(zhì)過(guò)程、表面轉(zhuǎn)化、電化學(xué)步驟及相生成幾個(gè)步驟。上述串聯(lián)過(guò)程的整體反應(yīng)速度將受反應(yīng)最難或最慢的步驟控制，即其余的步驟將被迫以相同的速度進(jìn)行，因而各步驟是既相互聯(lián)系又相互影響的。在金屬離子電沉積中，一般液相傳質(zhì)步驟往往進(jìn)行得比較慢，因而該步驟常決定整個(gè)電極反應(yīng)的進(jìn)行速度。
在電鍍中，電極界面處的金屬離子因不斷發(fā)生放電而被消耗，這種消耗由溶液本體中的離子來(lái)補(bǔ)充。這種消耗與輸送過(guò)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(yīng)粒子的傳送(液相傳質(zhì))是通過(guò)電遷移、對(duì)流和擴(kuò)散三種方式來(lái)完成的。
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