[發(fā)明專利]二維空間電化學(xué)沉積納微有序結(jié)構(gòu)材料的改進(jìn)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510345682.4
• 申請(qǐng)日: 2015-06-19
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104928737B
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-09-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 崔光亮;張品華;陳麗
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 臨沂大學(xué)
• 主分類號(hào): C25D5/02
• 分類號(hào): C25D5/02;C25D7/12
• 代理公司: 青島發(fā)思特專利商標(biāo)代理有限公司37212
• 代理人: 董寶錁

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種二維空間電化學(xué)沉積納微有序結(jié)構(gòu)材料的改進(jìn)方法，屬于電化學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

電化學(xué)沉積是在外加電場(chǎng)的作用下，通過(guò)電解液中的離子或分子在電極表面發(fā)生電化學(xué)或物理等過(guò)程，而獲得材料產(chǎn)品的過(guò)程。電化學(xué)沉積方法作為一種能夠快速、大量地制備功能材料的環(huán)保工藝而迅速地發(fā)展起來(lái)。近年來(lái)，電化學(xué)沉積方法被廣泛地應(yīng)用于新材料的制備研究之中，從無(wú)機(jī)物質(zhì)到有機(jī)物質(zhì)的制備，從普通材料到納米材料的制備，從體型材料到薄膜材料的制備等等。傳統(tǒng)電化學(xué)沉積方法均使用電解池存放電解液，電解液中各組分在溶液中保持良好的三維運(yùn)動(dòng)模式，其擴(kuò)散、對(duì)流和電遷移等三種運(yùn)動(dòng)方式?jīng)]有受到任何限制，沉積出來(lái)的樣品無(wú)法原位固定，所以傳統(tǒng)電化學(xué)沉積方法在組建功能性有序結(jié)構(gòu)材料方面能力有限。

二維空間內(nèi)的電化學(xué)沉積方法被證實(shí)是制備納微有序結(jié)構(gòu)的有效方法之一。與傳統(tǒng)電化學(xué)方法不同，該方法需要首先構(gòu)建二維電解池，通過(guò)創(chuàng)建低溫環(huán)境使電解液均勻結(jié)冰后，冰層與基底之間會(huì)形成一個(gè)大約300nm厚的、富含電解質(zhì)的超薄液層，即二維電沉積空間。在這一空間中，電解質(zhì)的擴(kuò)散和對(duì)流被限制，而只能以電遷移一種方式移動(dòng)。因此，電解質(zhì)在沉積電場(chǎng)作用下，不斷地遷移到沉積界面處并被沉積，且沉積物受空間尺度所限只能停留在沉積位置，最終實(shí)現(xiàn)原位電化學(xué)沉積，實(shí)現(xiàn)構(gòu)建功能性有序結(jié)構(gòu)材料的目的。

二維空間內(nèi)的電化學(xué)沉積組裝方法是采用純化水和溶質(zhì)配置電解液，在溫度可控的生長(zhǎng)室內(nèi)、以表面氧化處理的硅片或玻璃片等作為基底，把基底平放在生長(zhǎng)室內(nèi)，然后將兩個(gè)直條狀的箔片電極平行的放在基底上面，再在兩電極間滴上電解液，最后蓋上蓋玻片。將溫度控制在適合的溫度使電解液結(jié)冰，從而構(gòu)建二維超薄液層沉積空間，即二維電解池。再在電極上施加不同頻率、振幅的周期性沉積電勢(shì)，使電解質(zhì)周期性沉積。最后沉積物附著在基底上，用純化水清洗基底后可以得到樣品。但目前二維空間電化學(xué)沉積方法依然有需要改進(jìn)的地方。制備有序結(jié)構(gòu)材料時(shí)，需要嚴(yán)格控制溫度、結(jié)冰均勻度、沉積電壓等條件。該方法沉積時(shí)生長(zhǎng)點(diǎn)數(shù)量約為2-3個(gè)、且位置不固定，沉積得到的大面積沉積材料大部分(尤其邊緣區(qū)域)是無(wú)序的,只有中心區(qū)域?yàn)橛行蚪Y(jié)構(gòu)，面積小且重復(fù)性不理想。制備納微器件時(shí)需要將大量的無(wú)序結(jié)構(gòu)部分去掉，浪費(fèi)了原材料和時(shí)間。這主要是由于現(xiàn)有技術(shù)使用的是一對(duì)平行的直條狀電極，電極側(cè)面處處等同，所以在電極側(cè)面無(wú)法固定原始沉積的生長(zhǎng)點(diǎn)。當(dāng)沉積物在生長(zhǎng)點(diǎn)開(kāi)始生長(zhǎng)后，其生長(zhǎng)前端與陽(yáng)極會(huì)不斷形成新的沉積電場(chǎng)分布，并且這一電場(chǎng)是發(fā)散的，不利于制備周期穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)平行可控的結(jié)構(gòu)材料，導(dǎo)致制備的不確定因素過(guò)多，因而實(shí)驗(yàn)重復(fù)率不高，產(chǎn)品生產(chǎn)效率低。

發(fā)明目的

本發(fā)明的目的在于提供一種二維空間電化學(xué)沉積納微有序結(jié)構(gòu)材料的改進(jìn)方法，具有生長(zhǎng)點(diǎn)多，實(shí)驗(yàn)不確定因素少，實(shí)驗(yàn)重復(fù)率及生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。

所述的二維空間電化學(xué)沉積納微有序結(jié)構(gòu)材料的改進(jìn)方法，首先采用蒸餾水和溶質(zhì)配置電解液，然后以表面氧化處理的硅片或玻璃片作為基底、并平放在溫度可控的生長(zhǎng)室內(nèi)，將兩片箔片電極分別作為二維電解池陰極和陽(yáng)極，平行的放在基底上面。在兩電極間滴上電解液，蓋上蓋玻片，并控制溫度使電解液結(jié)冰。再在電極上施加沉積電勢(shì)，待沉積完畢，沉積物附著在基底上。最后用蒸餾水清洗基底。所述的二維電解池陰極為帶有尖端的、有規(guī)律形狀的箔片電極，所述的沉積電勢(shì)為穩(wěn)壓電勢(shì)或周期性沉積電勢(shì)中的一種。

所述作為二維電解池陰極的箔片電極厚度為20-50μm，寬為1-3mm，尖端長(zhǎng)度為1-2mm，尖端之間相距0.1-2mm。

所述的周期性沉積電勢(shì)為直流電壓或正弦波電壓、脈沖波電壓、方波電壓中的一種。

所述的周期性沉積電勢(shì)電壓幅度范圍為0.3V-1.8V，周期性電壓頻率為0.1-2Hz。

具體的二維空間電化學(xué)沉積納微有序結(jié)構(gòu)材料的改進(jìn)方法，包括以下步驟：

(1)采用蒸餾水和電解質(zhì)原材料配置20mM-100mM的電解液；

(2)在溫度可控的生長(zhǎng)室內(nèi)，以表面氧化處理的硅片或玻璃片作為基底，把作為陰極的帶有尖端的、有規(guī)律形狀的箔片電極和作為陽(yáng)極的直條狀箔片電極以相距6-8mm的距離平行的放在基底上面，在兩電極間滴加20-30μL電解液，蓋上蓋玻片，將溫度控制在-2--8℃，放置20-40分鐘；其中作為陰極帶有尖端的、有規(guī)律形狀的箔片電極的厚度為20-50μm，寬為1-3mm，尖端長(zhǎng)度為1-2mm，尖端之間相距0.1-2mm；

(3)然后用生長(zhǎng)室內(nèi)的制冷元件將電解液制冷結(jié)冰，并保持恒溫狀態(tài)放置0.5-1小時(shí)；