ChCl-OxA低共熔溶剂中铜的电沉积行为研究

作者：孙海静; 杨帅; 丁明玉; 孙杰^*

来源：表面技术, 2021, 50(11): 313-320.

DOI：10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.11.033

• 低共熔溶剂
• 草酸
• 铜
• 电沉积
• 电化学行为
• 形核机制

目的研究铜在氯化胆碱-草酸(Ch Cl-Ox A)低共熔溶剂中的电化学行为、电结晶机理及电沉积历程。方法采用循环伏安法(CV)和计时电流法(CA)研究了铜在Ch Cl-Ox A低共熔溶剂中的电化学行为和不同电位阶跃下的电结晶机理。采用扫描电子显微镜(SEM)和X-射线衍射技术(XRD)对铜镀层的微观形貌和物相组成进行了表征。结果Ch Cl-Ox A低共熔溶剂的电化学稳定窗口为2.10 V。铜离子经过两个连续的电化学步骤还原为金属铜,两个还原峰电位(vs.Ag)分别为0.686 V(Cu2+/Cu+)和0.365 V(Cu+/Cu0),还原电位均位于正电位区,说明铜离子具有强还原性。不同扫描速度下的CV曲线表明,两个还原峰电位Ep均随扫描速度v的增加而呈现负移的趋势,符合不可逆电极反应的特征。对Ip和v1/2之间的关系进行了线性拟合,发现Ip与v1/2之间均为线性关系,故可认为该体系中Cu(Ⅱ)的两步还原反应均是受扩散控制的,进一步计算出扩散系数D(Cu(Ⅱ))、D(Cu(Ⅰ))分别为7.27×10–9、5.70×10–9 cm2/s。在–0.60～–0.68 V下测定CA曲线,通过拟合CA曲线和理论曲线对比发现,Cu(Ⅱ)在Ch Cl-Ox A体系中的电结晶过程符合Scharifker-Hill三维瞬时形核模型。SEM结果表明,不同沉积时间下的铜晶粒具有不同形态,如球形、短棒状等,可获得均匀、致密的铜镀层。XRD结果表明,镀层由面心立方结构(FCC)的单质铜组成,最优结晶面为(111)。结论Cu(Ⅱ)在Ch Cl-Ox A低共熔溶剂中的电沉积过程为受扩散控制的不可逆电极过程,且形核机制为三维瞬时形核。在该体系中可得到均匀、细致的铜镀层,且铜镀层平均晶粒尺寸为45.34 nm。

• 单位
  沈阳理工大学; 环境与化学工程学院