Modeling of Formation of Metal Microstructures by Local Electrodeposition on Conducting Substrate

V. M. Volgin; Волгин В. М.; T. B. Kabanova; Кабанова Т. Б.; I. V. Gnidina; Гнидина И. В.; A. D. Davydov; Давыдов А. Д.

doi:10.31857/S0424857023090116

Моделирование формирования металлических микроструктур локальным электроосаждением на электропроводной подложке

Авторы: Волгин В.М.¹^,2, Кабанова Т.Б.², Гнидина И.В.¹, Давыдов А.Д.²
Учреждения:
1. Тульский государственный университет
2. Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН
Выпуск: Том 59, № 9 (2023)
Страницы: 483-494
Раздел: Статьи
URL: https://journal-vniispk.ru/0424-8570/article/view/139368
DOI: https://doi.org/10.31857/S0424857023090116
EDN: https://elibrary.ru/MPGYGU
ID: 139368

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ
Доступ закрыт

Доступ предоставлен
Доступ закрыт

Только для подписчиков

Аннотация
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Проведен теоретический анализ формирования металлических микроструктур на металлических подложках на примере локального электроосаждения серебра численным моделированием взаимосвязанных электрохимических и гомогенных химических реакций. Показано, что локализация и скорость электроосаждения серебра зависят от соотношения полных концентраций аммиака, серебра и протонов в растворе. Определен диапазон значений относительной концентрации аммиака, обеспечивающей приемлемое сочетание локализации и скорости электроосаждения серебра. С использованием ряда упрощений проведены численные расчеты распределений концентраций участников реакций и плотности тока восстановления ионов серебра при различных концентрациях компонентов раствора и межэлектродных расстояниях. Показано, что степень локализации процесса осаждения металла зависит от распределения концентраций электроактивных катионов серебра и неэлектроактивного комплекса этого металла вблизи анода. Установлено, что скорость осаждения немонотонно зависит от расстояния между электродами, что объясняется затрудненностью доставки реагентов при малых межэлектродных расстояниях и увеличением доли электроактивных ионов серебра, диффундирующих в объем раствора при больших межэлектродных расстояниях.

Ключевые слова

локальное электроосаждение, сканирующая электрохимическая микроскопия, электропроводная подложка, гомогенная химическая реакция, предельный ток, численное моделирование

Список литературы

Madden, J.D. and Hunter, I.W., Three-dimensional microfabrication by localized electrochemical deposition, J. Microelectromech. Syst., 1996, vol. 5(1), p. 24.
Braun, T.M. and Schwartz, D.T., The emerging role of electrodeposition in additive manufacturing, Electrochem. Soc. Interface, 2016, vol. 25(1), p. 69.
Давыдов, А.Д., Волгин, В.М. Электрохимическое локальное безмасковое микро/нано размерное осаждение, растворение и оксидирование металлов и полупроводников. Электрохимия. 2020. Т. 56. С. 56. [Davydov, A.D. and Volgin, V.M., Electrochemical local maskless micro/nanoscale deposition, dissolution, and oxidation of metals and semiconductors (a review), Russ. J. Electrochem., 2020, vol. 56(1), p. 52.]
Xinchao, L., Pingmei, M., Sansan, A., and Wei, W., Review of additive electrochemical micro-manufacturing technology, Int. J. Mach. Tool. Manu., 2021, Art. 103848.
Han, L., Sartin, M.M., Tian, Z.Q., Zhan, D., and Tian, Z.W., Electrochemical nanomachining, Curr. Opin. Electrochem., 2020, vol. 22, p. 80.
Volgin, V.M., Kabanova, T.B., and Davydov, A.D., Modeling of local maskless electrochemical deposition of metal microcolumns, Chem. Eng. Sci., 2018, vol. 183, p. 123.
Morsali, S., Daryadel, S., Zhou, Z., Behroozfar, A., Baniasadi, M., Moreno, S., Qian, D., and Minary-Jolandan, M., Multi-physics simulation of metal printing at micro/nanoscale using meniscus-confined electrodeposition: Effect of nozzle speed and diameter, J. Appl. Phys., 2017, vol. 121(21), p. 214305.
Meltzer, S. and Mandler, D., Microwriting of gold patterns with the scanning electrochemical microscope, J. Electrochem. Soc., 1995, vol. 142. p. L82.
De Abril, O., Mandler, D., and Unwin, P.R., Local cobalt electrodeposition using the scanning electrochemical microscope, Electrochem. Solid-State Lett., 2004, vol. 7, p. C71.
Hirt, L., Gruter, R.R., Berthelot, T., Cornut, R., Voros, J., and Zambelli, T., Local surface modification via confined electrochemical deposition with FluidFM, RSC Adv., 2015, vol. 5, p. 84517.
Hirt, L., Ihle, S., Pan, Z., Dorwling-Carter, L., Reiser, A., Wheeler, J.M., Prolenak, R., Voros, J., and Zambelli, T., Template-free 3D microprinting of metals using a force-controlled nanopipette for layer-by-layer electrodeposition, Adv. Mater., 2016, vol. 28, p. 2311.
Feng, Z., Xie, Y., and Georgescu, N.S., High-Resolution Nanoprinting Approach through Self-Driven Electrodeposition, J. Electrochem. Soc., 2019, vol. 166(1), p. D3200.
Ren, W., Xu, J., Lian, Z., Yu, P., and Yu, H., Modeling and Experimental Study of the Localized Electrochemical Micro Additive Manufacturing Technology Based on the FluidFM, Materials, 2020, vol. 13(12), p. 2783.
Borgwarth, K., Ricken, C., Ebling, D.G., and Heinze, J., Surface characterisation and modification by the scanning electrochemical microscope (SECM), Ber. Bunsenges. Phys. Chem., 1995, vol. 99, p. 1421.
Borgwarth, K. and Heinze, J., Increasing the resolution of the scanning electrochemical microscope using a chemical lens: Application to silver deposition, J. Electrochem. Soc., 1999, vol. 146, p. 3285.
Radtke, V. and Heinze, J., Scanning electrochemical microscopy as a versatile tool for modifying surfaces, Z. Phys. Chem., 2004, vol. 218(1), p. 103.
Ufheil, J., Hess, C., Borgwarth, K., and Heinze, J., Nanostructuring and nanoanalysis by scanning electrochemical microscopy (SECM), Phys. Chem. Chem. Phys., 2005, vol. 7(17), p. 3185.
Radtke, V., Hess, C., Souto, R.M., and Heinze, J., Electroless, electrolytic and galvanic copper deposition with the Scanning Electrochemical Microscope (SECM), Z. Phys. Chem., 2006, vol. 220(4), p. 393.
Ньюмен, Д. Электрохимические системы. М.: Мир, 1977.
Сухотин, А.М. Справочник по электрохимии. Л.: Химия, 1981.
Frank, M.J., Kuipers, J.A., and van Swaaij, W.P., Diffusion coefficients and viscosities of CO2 + H2O, CO2 + CH3OH, NH3 + H2O, and NH3 + CH3OH liquid mixtures, J. Chem. Eng. Data, 1996, vol. 41(2), p. 297.
Батлер, Дж.Н. Ионные равновесия. Л.: Химия, 1973.