Galvanoplastia de películas finas

Fuente: Logan G. Kiefer, Andrew R. Falkowski, y Taylor D. Sparks,Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Universidad de Utah, Salt Lake City, UT

El electroplating es un proceso que utiliza corriente eléctrica para reducir los cationes de metal disuelto para que formen un recubrimiento delgado en un electrodo. Otras técnicas de deposición de película delgada incluyen deposición de vapor químico (CVD), recubrimiento de espín, recubrimiento de inmersión y deposición de esputos entre otros. CVD utiliza un precursor de fase gaseosa del elemento a depositar. El recubrimiento de espín extiende centrífugamente el precursor líquido. El recubrimiento de inmersión es similar al recubrimiento de espín, pero en lugar de girar el precursor líquido, el sustrato está completamente sumergido en él. Sputtering utiliza plasma para eliminar el material deseado de un objetivo, que luego placa el sustrato. Técnicas como CVD o sputtering producen películas de muy alta calidad, pero lo hacen muy lentamente y a un alto costo ya que estas técnicas suelen requerir una atmósfera de vacío y un pequeño tamaño de muestra. La electrodeposición no depende de una atmósfera de vacío que reduzca en gran medida el costo y aumente la escalabilidad. Además, se pueden lograr tasas de deposición relativamente altas con electrodeposición.

Las células galvánicas consisten en dos metales diferentes conectados por un puente salinario o membrana porosa. Estas células electroquímicas tienen reacciones de oxidación y reducción de medias células que se producen espontáneamente para derivar energía. La electrodeposición invierte la célula galvánica suministrando energía para impulsar reacciones redox no espontáneas para placar un electrodo con una película delgada. El ánodo está hecho del metal a chapar y se oxida suministrando corriente directa. Esta oxidación en el ánodo crea iones que se disuelven y fluyen a través de la solución electrolítica, que contiene sales metálicas y otros iones para permitir el flujo de electricidad. Los iones disueltos se reducen y se chapan en el cátodo. Las células electrocromáticas cambian su absorción óptica cuando se someten a un voltaje. Al igual que con la galvanoplastia, la conducción de reacciones redox electrocromáticas permite que estos materiales transfieran entre estados blanqueados y de color, como con el material recubierto Prussian Blue.

El proceso de galvanoplastia requiere que ambos materiales utilizados en el proceso sean conductores, ya que tales metales y compuestos metálicos se utilizan principalmente. Para que el revestimiento tenga éxito, la superficie del material que se va a chapar debe estar completamente limpia. La limpieza de la superficie se garantiza sumergiendo el material en un ácido fuerte o conectando brevemente el circuito de galvanoplastia en reversa - si el electrodo está limpio, los átomos del metal de chapado se unirán a él eficazmente. Incluso si la superficie está limpia, el revestimiento ineficaz puede resultar cuando los componentes tienen geometrías complejas, que conducen a una distribución desigual del espesor del revestimiento. El espesor del revestimiento se puede controlar variando la duración de la corriente eléctrica entre los metales y la resistencia de la corriente aplicada entre los metales. Aumentar uno o ambos de estos aumentará el espesor del revestimiento. Al controlar el espesor del revestimiento, se pueden evitar los problemas de chapado resultantes de geometrías complejas.

El objetivo de la técnica propuesta es electroplacar una película delgada de azul prusiano en una hoja de PET recubierto de ITO, y luego medir la capacidad de la película para absorber y transmitir la luz usando espectroscopia UV-Vis. Los datos UV-Vis de la película delgada electrocromática en estado blanqueado y coloreado cuantificarán las diferencias de color entre la película en estos dos estados. Además, las películas electrocromáticas más gruesas lograrán un estado de color más profundo, y por lo tanto absorben relativamente más luz en comparación con las películas más delgadas. Por lo tanto, UV-Vis también se puede utilizar para hacer comparaciones de espesor cualitativa entre películas.

1. Preparar la solución Prussian Blue mezclando 50 mL de ácido clorhídrico de 0,05 M (HCl), 100 ml de 0,05 M de ferricianuro de potasio (K₃[Fe(CN)₆]) y 100 ml de cloruro hexahidrato de 0,05 M de hierro (III) (FeCl_3.6H2O).
2. Cree ánodo envolviendo aproximadamente 8 cm de alambre nicromo (NiCr) en una bobina apretada.
3. Preparar el sustrato de cátodo retirando el recubrimiento exterior que protege el lado conductor de una hoja de 5X5 centímetros de PET recubierto con ITO.
4. Construir el circuito conectando el terminal positivo de una batería de 9 voltios (9V) en serie a una resistencia de 30 ohmios, y luego al ánodo NiCr usando un clip de cocodrilo. Conecte el extremo negativo de la batería al sustrato del cátodo ITO utilizando un clip de cocodrilo. Asegúrese de que el cátodo y el ánodo no se toquen en la solución.
5. Después de preparar el circuito y la solución Prussian Blue, baje el cátodo y el ánodo a la solución, teniendo cuidado de no sumergir ninguno de los clips de cocodrilo. Sostenga durante 2 minutos, luego retire y enjuague el cátodo y el ánodo en agua DI. Este paso se puede repetir con tiempos de inmersión variados para variar el espesor del recubrimiento.
6. Analice la muestra utilizando el espectrómetro Uv-Vis Perkin Elmer Lambda 950, determinando su transmitancia de luz visible que va desde la longitud de onda de 750-400 nm. Asegúrese de analizar el nivel de fondo de la transmitancia escaneando una muestra de PET recubierta de ITO que no ha sido recubierta con azul prusiano.
7. Después de ejecutar la muestra de prusiano azul en el UV-Vis, preparar una solución de 150 ml de cloruro de potasio de 1,0 M (KCl).
8. Utilice el mismo circuito y el mismo ánodo NiCr (usando la batería de 9V en serie), y un clip de caimán adicional para conectar ambos lados de la capa Azul Prusiano al circuito. Sumerja el ánodo y el cátodo en la solución de KCl durante 1,5 minutos, impulsando la transición electrocromática de color a blanqueado.
9. A continuación, retire y enjuague tanto el cátodo como el ánodo en agua DI como antes.
10. Ejecute la muestra blanqueada en el UV-Vis, utilizando los parámetros de transmisión scat antes mencionados.

Cualitativamente, el ITO recubierto en azul prusiano, se volverá transparente cuando se aplique un potencial negativo como se muestra en la Figura 1 a continuación. Este cambio se puede revertir aplicando una tensión positiva.

Figura 1:Azul prusiano en sus estados coloreados y blanqueados.

Más cualitativamente, el espesor de la capa depositada se puede cambiar y medir de varias maneras, incluyendo cambiando el voltaje de la electrodeposición o el tiempo de electrodeposición. Para el azul prusiano, los diferentes espesores de capa afectarán al porcentaje de transmisión de luz a través de la muestra. La relación entre la cantidad de azul prusiano depositada en el ITO y el grado de opacidad se puede medir a través de espectrofotometría UV-Visible y se muestra en las figuras 2 y 3.

Figura 2:Espectroscopia UV-Vis de Azul Prusiano en su estado de color para varios voltajes de deposición electroquímica. 

Figura 3:Espectroscopia UV-Vis de azul prusiano en su estado de color para varios tiempos de deposición electroquímica.

Las películas depositadas a un voltaje más alto vieron un porcentaje de transmitancia menor que los depositados a una tensión más baja. Esto indica que las capas son más gruesas a voltajes más altos que a voltajes más bajos. Además, las muestras electrodepositadas durante tiempos más largos vieron un porcentaje más bajo de transmitancias, lo que de nuevo indica que las películas son más gruesas en tiempos de deposición más largos.

La electrodeposición, como se muestra en este experimento, permite la modificación de las propiedades de la superficie de los materiales dentro de un cambio mínimo de volumen. En el proceso de electrodeposición, una corriente eléctrica se pasa a través de una solución electrolítica entre un ánodo y un cátodo. Los cationes cargados positivamente en la solución de electrolitos son atraídos y depositados en el cátodo cargado negativamente. Una vez depositados, los átomos de la capa ganan electrones a través del proceso de reducción.

La velocidad y la cantidad de electrodeposición depende de la fuerza de la corriente eléctrica aplicada entre el cátodo y el ánodo en la solución de electrolitos. Además, los metales utilizados en la electrodeposición deben ser elegidos cuidadosamente, ya que algunos metales se alearán entre sí; en esos casos, se deben depositar varias capas metálicas.

Debido a que los cationes están unidos químicamente el sustrato, la electrodeposición tiene las ventajas de la expansión térmica unificada, una mejor resistencia a la corrosión química y una mayor durabilidad física. Un inconveniente de la deposición electroquímica comparado con otros métodos de deposición de película delgada es la necesidad de una superficie conductora en el sustrato antes de la deposición. Además, el proceso de electrodeposición no siempre produce una deposición uniforme, lo que causa incoherencias en el recubrimiento del material.

Electrodeposición tiene muchas aplicaciones más allá de depositar azul prusiano. La electrodeposición se utiliza ampliamente en la industria de la joyería, ya que permite un alto grado de control sobre el proceso de chapado y permite diversas modificaciones estéticas. Una amplia variedad de variaciones de color se puede lograr mediante el depósito de diferentes metales para formar aleaciones con apariencias únicas. Además, los metales se pueden depositar de manera uniforme, lo que reduce las incoherencias de color y puede ocultar las líneas de soldadura y componentes. Mediante la utilización de la electrodeposición, los joyeros son capaces de crear recubrimientos metálicos funcionales y consistentes que son estéticamente agradables.

La electrodeposición también se utiliza en la industria automotriz. Los vehículos están constantemente sujetos a las fuerzas que se desgastan a los componentes vitales. La electrodeposición permite modificar y mejorar las propiedades de varias piezas sin cambiar el volumen funcional de la pieza. El cromo depositado proporciona una protección superior contra el desgaste y la corrosión para los vehículos y permite que los automóviles duren más tiempo con requisitos mínimos de mantenimiento y reparación.

En la industria de semiconductores, la electrodeposición ofrece importantes ventajas de costo, fiabilidad y medio ambiente sobre la tecnología de evaporación clásica y puede acomodar tamaños de obleas muy diferentes. El proceso de electrodeposición permite la deposición en sustratos frágiles y también permite un control avanzado de la forma o nuevas funcionalidades. Electrodeposition ofrece un medio de muestras económicamente únicas mediante la utilización de una tecnología fácilmente adaptada a la producción industrial.