رسوب‌دهی شیمیایی

**رسوب‌دهی شیمیایی**(ED) یا آبکاری شیمیایی به عنوان فرایند خودکاتالیزی که از طریق آن فلزات و آلیاژهای فلزی بر روی سطوح رسانا و نارسانا رسوب می‌کنند، تعریف می‌شود.این سطوح نارسانا شامل پلاستیک، سرامیک و شیشه و غیره است که بسته به عملکرد نهایی خود می‌توانند تزئینی، ضدخوردگی و رسانا شوند. آبکاری الکتریکی، برخلاف رسوب‌دهی شیمیایی، تنها در صورت اعمال جریان خارجی برروی سایر مواد رسانا یا نیمه رسانا رسوب می‌کند.رسوب‌دهی شیمیایی فلزات را برروی ساختارهای دوبعدی و سه‌بعدی مانند پیچ‌ها، نانوالیاف و نانولوله‌های کربنی رسوب می‌دهد، برخلاف سایر روش‌های آبکاری مانند رسوب‌دهی فیزیکی بخار(PVD)، رسوب‌دهی شیمیایی بخار(CVD) و آبکاری‌الکترولیتی که محدود به سطوح دوبعدی است.معمولاً سطح زیرلایه با استفاده از پراش پرتوایکس(pXRD) و طیف‌سنجی فوتوالکترون میکروسکوپ الکترونی روبشی(SEM)باطیف‌سنجی پراش انرژی پرتوایکس (EDS) و طیف‌سنجی فوتوالکترون پرتوایکس(XPS) مشخص می‌شود که پارامترهای تنظیم‌شده‌ای را براساس عملکرد نهایی آن‌ها ارائه می‌دهند. این پارامترها به شاخص‌های کلیدی عملکردی که برای هدف یک محقق یا شرکت حیاتی است، ارجاع می‌شوند.رسوب‌دهی شیمیایی همچنان در صنعت میکروالکترونیک، نفت و گاز و صنعت‌هوافضا اهمیت پیدا می‌کند.

## تاریخچه
رسوب‌دهی شیمیایی (Electroless Deposition) به‌طور تصادفی توسط چارلز-آدولف ورتز در سال ۱۸۴۶ کشف شد. وورتز متوجه شد که محلول نیکل-فسفر زمانی که روی میز کار رها می‌شود، به‌طور خودجوش تجزیه شده و پودر سیاه تشکیل می‌دهد. ۷۰ سال بعد، فرانسوا آگوست رو، فرایند آبکاری شیمیایی را مجدداً کشف کرد و آن را در ایالات متحده به عنوان "فرآیند تولید رسوبات فلزی" به ثبت رساند. رو رسوب‌گذاری نیکل-فسفر (Ni-P) بدون جریان الکتریکی را روی یک زیرلایه انجام داد، اما اختراع او تجاری‌سازی نشد. در سال ۱۹۴۶، این فرایند توسط آبنر برنر و گریس ای. ریدل در حین کار در اداره ملی استانداردها مجدداً کشف شد. آن‌ها کشف خود را در کنوانسیون ۱۹۴۶ انجمن الکتروپلاتینگ آمریکا (AES) ارائه کردند؛ یک سال بعد، در همان کنفرانس، آن‌ها اصطلاح "بدون جریان الکتریکی(Electroless)" را برای این فرایند پیشنهاد کردند و فرمولاسیون‌های بهینه حمام را توصیف کردند که منجر به ثبت اختراع شد. با این حال، نه آبنر و نه ریدل از نظر مالی از ثبت اختراع بهره‌ای نبردند. اولین رسوب تجاری Ni-P توسط شرکت Leonhardt Plating در سینسیناتی انجام شد، پس از آن شرکت Kannigen Co. Ltd در ژاپن این صنعت را متحول کرد. تجاری‌سازی آبکاری بدون جریان الکتریکی توسط Leonhardt کاتالیزوری برای طراحی و ثبت اختراع چندین حمام رسوب‌گذاری، از جمله آبکاری فلزاتی مانند Pt, Sn, Ag و آلیاژهای آن‌ها بود.
بندانگشتی|آبکاری شیمیایی نیکل برروی فلزات.

یک فرایند ابتدایی آبکاری بدون جریان الکتریکی، واکنش تولوئن است که اغلب در نمایش‌های علمی استفاده می‌شود. واکنش تولوئن یک لایه نقره فلزی یکنواخت را از طریق ED روی شیشه رسوب می‌دهد و سطحی بازتابنده تشکیل می‌دهد، از این رو به عنوان نقره‌کاری آینه‌ها شناخته می‌شود. از این واکنش برای آزمایش آلدهیدها در محلول قلیایی نیترات نقره استفاده می‌شود. این واکنش اغلب به عنوان یک روش خام در نمایش‌های شیمی برای اکسید کردن آلدهید به اسید کربوکسیلیک و کاهش کاتیون نقره به نقره عنصری (سطح بازتابنده) استفاده می‌شود.

## آماده‌سازی و پایداری غوطه‌وری
**رسوب‌دهی شیمیایی: یک روش مهم در صنعت الکترونیک**

رسوب‌دهی شیمیایی یک فرایند مهم در صنعت الکترونیک برای فلزکاری زیرلایه‌ها است. سایر روش‌های فلزکاری زیرلایه‌ها شامل رسوب فیزیکی بخار (PVD)، رسوب شیمیایی بخار (CVD) و آبکاری الکتریکی هستند که همه آن‌ها لایه‌های نازک فلزی تولید می‌کنند اما به ترتیب به دماهای بالا، خلاء و منبع تغذیه نیاز دارند. رسوب‌دهی بدون الکترولیت در مقایسه با روش‌های PVD, CVD و آبکاری الکتریکی، مزیت دارد زیرا می‌تواند در شرایط محیطی انجام شود. روش‌های آبکاری برای شستشو نیکل-فسفر (Ni-P)، نیکل-طلا (Ni-Au)، نیکل-بور (Ni-B) و مس متفاوت است؛ با این حال، فرایندها رویکرد مشابهی دارند. فرایند رسوب‌دهی شیمیایی شامل چهار مرحله است:

# پیش تصفیه یا عملیاتی سازی بستر: سطح زیرلایه تمیز می‌شود تا هرگونه آلودگی که بر اندازه نانوذرات تأثیر می‌گذارد و منجر به آبکاری ضعیف می‌شود، حذف شود. پیش‌عملی تخلخل رسوب فلز عنصری و محل شروع رسوب عنصری را تعیین می‌کند.
# حساس‌سازی: یک یون فعال‌کننده می‌باشد که می‌تواند فلز فعال را در حمام رسوب‌دهی کاهش دهد و به عنوان یک سایت کاتالیزوری برای الگوبرداری فلز فعال عمل می‌کند.
# فعال‌سازی: با عمل کردن به عنوان یک هسته کاتالیزوری بر روی سطح زیرلایه برای حمام رسوب‌دهی بدون الکترولیت نهایی، رسوب‌دهی راسریعتر می‌کند.
# رسوب‌دهی شیمیایی: فرآیندی است که در آن کاتیون فلزی با یک عامل کاهنده قوی به عنصر فلزی کاهش می‌یابد.
وسط|بی‌قاب|484x484پیکسل|مراحل فرایند رسوب‌دهی شیمیایی
حمام رسوب‌دهی بدون الکترولیت و عوامل مؤثر بر آن:

حمام رسوب‌دهی شیمیایی شامل عوامل زیر است که بر سنتز محصولات جانبی، عمر حمام و نرخ آبکاری تأثیر می‌گذارند:

**منبع کاتیون فلزی** معمولاً یک نمک فلزی مانند سولفات مس (CuSO4) برای تأمین یون‌های مس (Cu2+) و کلرید نیکل (NiCl2) برای تأمین یون‌های نیکل (Ni2+) استفاده می‌شود.

**عامل کاهنده** الکترون‌ها را به کاتیون فلزی اهدا می‌کند. فرمالدهید (CH2O) برای یون‌های مس (Cu2+) و هیپوفسفیت سدیم (NaH2PO2) برای یون‌های نیکل (Ni2+) از جمله عوامل کاهنده رایج هستند.

**عامل کمپلکس‌کننده مناسب** با جلوگیری از افت و افزایش شدید pH، جلوگیری از رسوب نمک نیکل و کاهش غلظت یون‌های آزاد نیکل در محلول، اثر بافری ایجاد می‌کند. تارتارات، EDTA و استات از جمله عوامل کمپلکس‌کننده متداول هستند.

**ثبات‌کننده** نرخ آبکاری را کنترل می‌کند و از تجزیه حمام جلوگیری می‌کند. قبل از آبکاری حمام، تکامل گاز هیدروژن رخ می‌دهد، اما برای جلوگیری از رسوب تصادفی حمام ED، از تثبیت‌کننده‌ها استفاده می‌شود. آن‌ها با دقت انتخاب می‌شوند تا از دست دادن فعالیت کاتالیزوری هیدروژناسیون یا هیدروژنه کردن جلوگیری شود. تثبیت‌کننده‌ها ماهیت خودکاتالیزی حمام را تنظیم می‌کنند و در عین حال رسوب ناهمگن نانوذرات را کنترل می‌کنند.

**عامل بافر و پایداری pH** حمام‌های رسوب‌دهی یون‌های هیدرونیوم تولید می‌کنند که باعث کاهش pH می‌شوند. اگر pH حمام بیش از حد اسیدی شود، هیدروژن با سرعت بیشتری نسبت به فلز کاهش می‌یابد و درصد وزنی فلز عنصری تولید شده را کاهش می‌دهد. فلز هیدرولیز می‌شود و از محلول خارج می‌شود. رابطه بین pH و پتانسیل استاندارد (E0) با فعالیت یون هیدرونیوم در معادله نرنست در رابطه با پتانسیل مرتبط است. پتانسیل با قلیایی‌تر شدن محلول کاهش می‌یابد و این رابطه با نمودار پوربه توصیف می‌شود.

همه پارامترهای فوق در کنترل آزادسازی محصولات جانبی نقش دارند. تشکیل محصولات جانبی با مسموم کردن سایت کاتالیزوری و مختل کردن ریخت‌شناسی نانوذرات فلزی، بر حمام تأثیر منفی می‌گذارد.

## فرایند
اصول بنیادی

فرایند رسوب‌دهی شیمیایی بر اساس شیمی، اکسید-کاهش است که در آن الکترون‌ها از یک عامل کاهنده آزاد می‌شوند و یک کاتیون فلزی به فلز عنصری کاهش می‌یابد. معادلات (۱) و (۲) فرایند ساده‌شده ED را نشان می‌دهند که در آن یک عامل کاهنده الکترون آزاد می‌کند و کاتیون فلزی به ترتیب کاهش می‌یابد.

رسوب‌دهی شیمیایی و آبکاری الکتریکی حمام‌های رسوب‌دهی بدون الکترولیت و آبکاری الکتریکی به‌طور فعال واکنش‌های کاتدی و آندی را روی سطح زیرلایه انجام می‌دهند. پتانسیل الکترود استاندارد فلز و عامل کاهنده به عنوان نیروی محرکه برای تبادل الکترون اهمیت دارد. پتانسیل استاندارد به عنوان توان کاهش ترکیبات تعریف می‌شود. مثال‌هایی در جدول ۱ نشان داده شده است، که در آن روی با پتانسیل استاندارد پایین‌تر (۰٫۷۶۱۸-ولت) به عنوان عامل کاهنده برای مس (۰٫۳۴۱۹ ولت) عمل می‌کند. پتانسیل‌های محاسبه‌شده برای واکنش نمک مس و فلز روی حدود ۱٫۱ ولت است که نشان‌دهنده واکنش خودبه‌خودی است. از آنجایی که رسوب‌دهی شیمیایی نیز از اصول پتانسیل الکترود استاندارد استفاده می‌کند، ما همچنین می‌توانیم پتانسیل، E، یون‌های فلزی در یک محلول را با استفاده از معادله نرنست محاسبه کنیم.
بندانگشتی|واکنش‌های ۱ و ۲ فرایند کلی احیای فلزات و اکسیداسیون یک عامل کاهنده را شرح می‌دهند. Mz+ کاتیون فلزی است (به عنوان مثال: کاتیون‌های Ni2+، Cu2+، Pt2+). M فلز عنصری پس از کاهش است. احیا کننده (مواد کاهنده) ماده ای است که الکترون‌ها را از دست می‌دهد و حالت اکسیداسیون بالاتری پیدا می‌کند (مانند فرمالدهید، هیدرازین و غیره). محصول اکسیداسیون نتیجه از دست دادن الکترون‌های احیا کننده است (به عنوان مثال: تبدیل فرمالدهید به اسید فرمیک). در نهایت، ze- تعداد الکترون‌های منتقل شده از احیا کننده به کاتیون‌های فلزی است.|وسط|295x295پیکسل

## تولید نفت و گاز
پوشش عنصری نیکل، از خوردگی لوله‌های فولادی مورد استفاده برای حفاری جلوگیری می‌کند. در هسته این صنعت نیکل مخازن تحت فشار، پره‌های کمپرسور، راکتورها، پره‌های توربین و شیرها را پوشش می‌دهد.
وسط|بندانگشتی|شماتیک راه اندازی دکل نفتی. لوله‌های فولادی با نیکل پوشیده شده‌اند که سرعت خوردگی را کاهش می‌دهد. بخش‌های ۲۵، ۲۶ و ۲۷ نمونه‌هایی از مکان‌هایی هستند که یک پوشش نیکل روی فولاد را می‌پوشاند.

## منابع

رده:پیشگیری از خوردگی
رده:آبکاری فلز
رده:ساخت برد مدار چاپی