Электролитическое получение нанопленок железа

ISSN 0321-2653 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ РЕГИОН. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. 2012. № 3

УДК 621.357.7

ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОЕ ПОЛУЧЕНИЕ НАНОПЛЕНОК ЖЕЛЕЗА

© 2012 г. Ф.С. Федоров, В.Т. Фомичев

Волгоградский государственный Volgograd Stat

архитектурно-строительный университет Architecturally-Bulding University

Разработан электролит для получения тонких пленок железа. Исследованы режимы электроосаждения, свойства получаемых пленок. Эмпирически исследованы рабочие растворы для нанесения гальванопокрытий. Задачей ставится получение устойчивых тонких пленок железа электрохимическим путем из щелочного электролита. Определена коррозионная стойкость полученных гальванических покрытий. Произведен анализ морфологии и топологии полученных образцов.

Ключевые слова: осаждение; покрытие; железо; свойства покрытий; щелочной электролит; коррозионная стойкость.

A electrolyte for thin films of iron. Invstigated modes of electrodeposition, properties of the resulting films. Empirically investigated working solutions for the application of electroplating. The obective is to obtain stable thin films of iron electrochemically from an alkaline electroliyte. Is defined corrosion resistance is obtained by electroplating. Produced by analisis of the morphogy of the samples.

Keywords: deposition; coating; iron; properties coating; alkaline electroliyte; corrosion resistance.

Для электроосаждения железа используются, как правило, электролиты с рН в области значений 0,5 -3,0 [1]. Однако растворы с высокой концентрацией ионов Н+ могут приводить к стравливанию наносимого тонкого (~ 200 нм) слоя железа и, таким образом, ухудшать качество получаемого осадка. Щелочные электролиты железнения содержат железо в виде его трехвалентных солей [2]. Использование электролитов на основе Fe3+ может вызывать целый ряд побочных процессов, которые могут как уменьшить стабильность электролита, так и повлиять на качество получаемого электролитического осадка.

Для того чтобы получать сверхтонкие пленки железа, был разработан щелочной пирофосфатный электролит железнения.

В настоящее время при гальваническом получении тонких пленок - «нанопленок» необходимо решить проблему зависимости «толщина покрытия -время», связанных с уменьшением плотности тока и выхода по току металла. Выполнение последних двух условий позволяет регулировать процесс во времени, получать достаточно тонкие пленки электрохимическим путем. Кроме этого возможно затормозить процесс осаждения уменьшением температуры электролита.

Так, например, в сульфатном электролите меднения (CuSO4•5H2O 250 г/л, H2SO4 50 г/л) выход металла по току с увеличением температуры незначительно уменьшается. Стоит отметить, что электролиз электролита данного состава проходит практически со 100 %-м выходом металла по току (рис. 1).

Для разработанного электролита железнения (рис. 2) замечено влияние снижения температуры процесса на выход по току.

100 * О II

g ;: -о

-10 10 30 50 70 90

Температура, °С Рис. 1. График зависимости выхода металла (Си) по току от температуры

25 1

чО

5х

£

о н о

с

«

г~ ~

-10 10 30 50 70 90

Температура, °С

Рис. 2. График зависимости выхода металла ^е) по току от температуры

Рассмотрение зависимостей, представленных на рис. 1 и 2, позволяет сделать вывод, что для получения тонких пленок при низком выходе по току, с контролем по времени лучше всего использовать интервал температуры 0 - 40 °С.

Выход металлов по току в области температур ниже 0 °С, как видно из рисунков, существенно не

ISSN 0321-2653 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИИ РЕГИОН.

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. 2012. № 3

снижает выхода металла по току, но может быть полезным в тех условиях, когда повышение температуры до комнатной может иметь негативное влияние или препятствовать всему процессу (грубый пример, нанесение покрытия на Ga, который расплавляется при 29,78 °С).

Изменяемым параметром, который сильно влияет на выход металла по току, является поляризация электрода, а именно варьирование таких параметров, которые отвечают за концентрационную и диффузионную составляющие поляризации. Изменение поляризации можно также получить при введении ПАВ. И в нашем случае выход по току металла уменьшался как раз за счет использования очень малой концентрации основного компонента и сильнощелочной (10,3) среды раствора, где ионы OH- выступают в роли поверхностно-активного вещества.

Восстановление ионов железа происходит в нашем случае из шестизарядных пирофосфатных ком-лексных ионов Fe(P2O7)26~ по усредненной схеме: Fe(P2O7)26~ + 2 е- ^ Fe + 2P2O74-, однако в растворе могут находиться и другие, в том числе и смешанные комплексные соединения.

Использование гидроксида натрия как ПАВ препятствует восстановлению комплексов железа, снижает выход металла по току, а также усиливает эффект выравнивания покрытия по площади осаждения, способствует получению блестящих поверхностей. Использование инертного анода, например платинового, позволяет избежать изменения концентрации железа, что дает возможность поддерживать выход металла по току на заданном низком уровне.

Пирофосфатный электролит с избытком ионов пирофосфата хорошо выравнивает растущие пленки, снижая возможное влияние неровностей структуры электрода и краевых эффектов при электролизе. Разработанный электролит железнения позволяет получать тонкие пленки 10 - 500 нм, при выходе по току металла в среднем 5 %. Интервал катодной плотности тока также имеет низкие значения и равен 1,0 - 2,5 А/дм2 (постоянный ток). Кроме того, состав электролита предполагает увеличение его выравнивающих свойств, что является важным условием при получении пленок нанометрового масштаба. Полученные покрытия железа, как показали исследования, являются аномально устойчивыми и обладают высокой отражающей способностью, металлическим блеском. Изучение топологии поверхности на АСМ свидетель-

ствует, что покрытия являются максимально выровненными (рис. 3).

Рис. 3. Топология поверхности Fe (контакт): а - 2D; б - 3D; в - (полуконтакт), 3D

Изучение топологии также указывает на сферический рост структуры осадка, при достаточно ровной поверхности покрытия в целом.

Был установлен факт аморфной структуры получаемых пленок, что, возможно, объясняет повышенную устойчивость этих тонких железных покрытий к внешней среде. Таким образом, использование щелочного пирофосфатного электролита малой концентрации, а также инертных анодов способствует получению более тонких высококачественных и равномерных по толщине железных покрытий.

Предлагаемый электролит позволяет получать тонкие наноразмерные качественные пленки железа 10 - 500 Нм; практически исключить реакции растворения, происходящие в кислой среде, и таким образом снизить влияние рН электролита на поверхность осадка; использовать небольшое количество сульфата железа (II); а также проводить процесс в условиях низкой температуры.

Литература

1. Кудрявцев Н.Т. Электролитические покрытия металлами. М., 1979. 304 с.

2. Электролитическое осаждение железа / под ред. Г.Н. Зайд-мана. Кишинев, 1990. 147 с.

а

б

в

Поступила в редакцию 26 декабря 2011 г.

Федоров Федор Семенович - аспирант, кафедра «Общая химия», Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет. Тел. 8-9061709697. E-mail: valerifomiche@yandex.ru

Фомичев В.Т. - сотрудник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.

Fedorov Fedor Semenovich - post-graduate student, department «General Chemistry», Volgograd Stat Architecturally-Bulding University. Ph. 8-9061709697. E-mail: valerifomiche@yandex.ru

Fomichev V.T - employee Volgograd Stat Architecturally-Bulding University/