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
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]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)】
[0002]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宄之中，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)流和電迀移等三種運(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。
[0003]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，而只能以電迀移一種方式移動(dòng)。因此，電解質(zhì)在沉積電場(chǎng)作用下，不斷地迀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。
[0004]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。
[0005]發(fā)明目的
[0006]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)。
[0007]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。
[0008]所述作為二維電解池陰極的箔片電極厚度為20-50 μ m，寬為l_3mm，尖端長(zhǎng)度為l_2mm，尖端之間相距0.l_2mm。
[0009]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。
[0010]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0.1-2HZO
[0011]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:
[0012](I)采用蒸餾水和電解質(zhì)原材料配置20mM-100mM的電解液；
[0013](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20-30 μ L電解液，蓋上蓋玻片，將溫度控制在-2—8°C，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20-50 μ m,寬為l-3mm，尖端長(zhǎng)度為l_2mm，尖端之間相距0.1-2mm ；
[0014](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)；
[0015](4)在電極上施加直流電壓或正弦波、脈沖波、方波等周期性波形電壓使電解質(zhì)沉積，其中電壓幅度范圍為0.3V-1.8V，周期性電壓頻率為0.l-2Hz ；
[0016](5)沉積結(jié)束后取出基底并用蒸餾水清洗，得到附著在基底上的納微有序結(jié)構(gòu)材料。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0018]本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了二維空間內(nèi)的電化學(xué)沉積方法通過(guò)尖端放電來(lái)控制沉積生長(zhǎng)點(diǎn)，并產(chǎn)生類平行準(zhǔn)靜態(tài)均勻電場(chǎng)的目的。通過(guò)采用帶有尖端的沉積電極，把之前兩平行電極之間的大而不穩(wěn)定的沉積電場(chǎng)分解成許多小的、更穩(wěn)定的初始均衡電場(chǎng)，并保持沉積生長(zhǎng)過(guò)程中電場(chǎng)始終為準(zhǔn)靜態(tài)均勻分布，進(jìn)而減少該方法制備過(guò)程中的不確定因素，極大提高了實(shí)驗(yàn)重復(fù)率。本發(fā)明沉積時(shí)生長(zhǎng)點(diǎn)有3-6個(gè)，且只在尖端處開(kāi)始沉積，每個(gè)生長(zhǎng)點(diǎn)處沉積的結(jié)構(gòu)材料面積比原來(lái)平均減少七分之一左右，但有序結(jié)構(gòu)的總面積增大約50%，并且不同生長(zhǎng)點(diǎn)處沉積的有序結(jié)構(gòu)材料彼此是分立的，可以很容易的分開(kāi)并用于多個(gè)納微器件的制備，提高了生產(chǎn)效率。本發(fā)明可以通過(guò)電極形狀(鋸齒狀、梳子狀、弧度曲線等)、材質(zhì)等的變化，通過(guò)兩個(gè)電極不同形狀的組合構(gòu)建分布不同的沉積電場(chǎng)，制備具有不同結(jié)構(gòu)、不同周期形貌的納微有序結(jié)構(gòu)材料。通過(guò)對(duì)二維空間電化學(xué)沉積法制備納微有序結(jié)構(gòu)材料的方法進(jìn)行改進(jìn)，制備的納微有序結(jié)構(gòu)材料總面積、重復(fù)率等都有明顯改善，提高了生產(chǎn)效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，電極可以被取下重復(fù)使用，而沉積樣品被保留在基底上，可用于下一步處理