İnce Kontrollü Tek Katmanlı Gümüş Klorürlü İnce Film Gümüş/Gümüş Klorür Elektrotlarının İmalatı

Özet

Bu yazı, ince film gümüş elektrotlar üstüne belirlenmiş kapsama gümüş klorür (AgCl) pürüzsüz ve iyi kontrollü filmler oluşturmak için bir yöntem sunmayı amaçlamaktadır.

Özet

Bu makale, ince film gümüş elektrotların üzerine belirlenmiş kapsama alanı ile gümüş/gümüş klorür (Ag/AgCl) ile düzgün ve iyi kontrol edilmiş filmler oluşturmak için bir protokol sunmayı amaçlamaktadır. İnce film gümüş elektrotlar 80 μm x 80 μm ve 160 μm x 160 m ölçülerinde krom/altın (Cr/Au) tabakası ile kuvars gofretlerine püskürtüldü. Pasifasyon, parlatma ve katodik temizleme işlemlerinden sonra elektrotlar Faraday'ın Elektroliz Yasası göz önünde bulundurularak galvanostatik oksidasyona uğrar ve gümüş elektrotun üzerine belirli bir kapsama derecesi ile AgCl'nin düzgün tabakalarını oluştururlar. Bu protokol, protokolün işlevselliğini ve performansını vurgulayan, imal edilen Ag/AgCl ince film elektrotlarının yüzeyinin taramalı elektron mikroskobu (SEM) görüntülerinin incelenmesi ile doğrulanır. Sub-optimal imal elektrotlar karşılaştırma için de imal edilir. Bu protokol, ag/AgCl elektrotlarının belirli empedans gereksinimleriyle (örneğin, empedans akış sitometrisi ve interdigitated elektrot dizileri gibi empedans algılama uygulamaları için pronedans elektrotlar) imalatında yaygın olarak kullanılabilir.

Giriş

Ag/AgCl elektrodu elektrokimya alanında en çok kullanılan elektrotlardan biridir. En yaygın üretim kolaylığı nedeniyle elektrokimyasal sistemlerde referans elektrot olarak kullanılır, toksik olmayan özelliği ve kararlı elektrot potansiyeli^1,2,3,4,5,6.

Araştırmacılar Ag/AgCl elektrotlarının mekanizmasını anlamaya çalıştılar. Elektrot üzerindeki klorür tuzu tabakası, Elektrolit içeren bir klorürdeki Ag/AgCl elektrodumunun karakteristik redoks reaksiyonunda temel bir malzeme olarak bulunmuştur. Oksidasyon yolu için, elektrot yüzeyindeki kusurluluk bölgelerindeki gümüş, çözeltideki klorür iyonlarıyla birleşerek çözünür AgCl kompleksleri oluşturur ve elektrotun yüzeyine yayDıkları AgCl'nin kenarlarına AgCl şeklinde çökeltme için dağıtırlar. Azaltma yolu elektrot üzerinde AgCl kullanarak çözünür AgCl komplekslerinin oluşumunu içerir. Kompleksleri gümüş yüzeye yayılır ve temel gümüş^7,,8geri azaltır.

AgCl tabakasının morfolojisi Ag/AgCl elektrotlarının fiziksel özelliğinde önemli bir etkidir. Çeşitli çalışmalar büyük yüzey alanı son derece tekrarlanabilir ve kararlı elektrot potansiyelleri^9,10,11,12ile referans Ag / AgCl elektrotlar oluşturmak için anahtar olduğunu gösterdi. Bu nedenle, araştırmacılar geniş bir yüzey alanına sahip Ag / AgCl elektrotlar oluşturmak için yöntemleri araştırdık. Brewer ve ark. Ag / AgCl elektrotlar imal etmek için sabit akım yerine sabit voltaj kullanarak agcl tabakasının yüzey alanını artırarak, son derece gözenekli AgCl yapısı neden olacağını keşfetti¹¹. Safari ve ark. gümüş elektrotların yüzeyinde AgCl oluşumu sırasında kitle taşıma sınırlama etkisi yararlandı bunların üzerine AgCl nanosheets oluşturmak için, AgCl tabakasının yüzey alanını önemli ölçüde artırarak¹².

Algılama uygulamaları için AgCl elektrot tasarımı için yükselen bir eğilim vardır. Düşük temas empedansı elektrotları algılamak için çok önemlidir. Bu nedenle, AgCl yüzey kaplama empedans özelliğini nasıl etkileyeceğini anlamak önemlidir. Önceki araştırmalarımız, gümüş elektrot üzerindeki AgCl kapsamının derecesinin elektrot/elektrolit arabiriminin empedans karakteristiği üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğunu göstermiştir^13. Ancak, ince film Ag/AgCl elektrotlarının temas empedansını doğru tahmin etmek için, oluşan AgCl tabakası pürüzsüz olmalı ve iyi kontrollü kapsama alanına sahip olmalıdır. Bu nedenle, AgCl kapsama belirlenen dereceleri ile pürüzsüz AgCl katmanları oluşturmak için bir yöntem gereklidir. Bu ihtiyacı kısmen gidermek için çalışmalar yapılmıştır. Brewer ve pargar ve ark. pürüzsüz bir AgCl yumuşak bir sabit akım kullanılarak elde edilebilir tartışıldı, gümüş elektrot üstüne AgCl tabakası imal^11,14. Katan ve ark. gümüş örnekleri üzerinde AgCl tek bir tabaka oluşturdu ve bireysel AgCl parçacıklarının boyutunu gözlenen⁸. Onların araştırma AgCl tek bir tabaka kalınlığı yaklaşık 350 nm olduğunu bulundu. Bu çalışmanın amacı, gümüş elektrotların üzerine öngörülen empedans özellikleri ile AgCl'nin ince ve iyi kontrollü filmlerini oluşturacak bir protokol geliştirmektir.

Protokol

1. Kalkış kullanarak Cr/Au yapışma tabakasının imalatı

1. Spincoat HPR504 pozitif photoresist 1.2 μm kalınlığında bir kuvars gofret üzerine 5 s için 1.000 rpm ve 30 s için 4.000 rpm bir spin hızı bir yayılma hızı kullanarak.
2. 110 °C'de, sıcak bir tabakta 5 dk boyunca kuvars gofretüzerinde fotodirenç pişirin.
3. Maske hizalayıcı kullanarak, Cr/Au biriktirme konumlarının ultraviyole (UV) ışıkla açığa çıkarılabilen gofretleri açığa çıkar. Pozlama gücü yoğunluğu ve süresi sırasıyla 16 mW/cm² ve 7,5 s 'dir (pozlama enerji yoğunluğu = 120 mJ/cm^2).
4. Geliştirme sürecinden sonra gofretini 1 dk.
5. Bir azot (N₂₎silahı kullanarak gofret kuru. Gofret 120 °C'de 5 dk fırına koyun.
6. Elektron ışını (e-ışın) buharlaşma kullanarak, 5 nm Cr tabakası, gofret üzerinde 50 nm Au tabaka takip mevduat. İfade oranları sırasıyla 1 Å/s ve 2 Å/s'dir.
7. E-ışın buharlaşan gofreti bir kap içine yerleştirin. İçine bol miktarda aseton dökün.
8. Bir kapak kullanarak kabı kapatın. Kapaklı kabı 10 dakika boyunca veya kaldırma işlemi tamamlanana kadar ultrasonik bir temizleyiciye yerleştirin.
9. Gofret isopropanol (IPA) ve ardından DI su kullanarak flush. N₂ tabancası ve fırında n 2 daha sonra kullanarak kurulayın.
   NOT: Protokol burada duraklatılabilir.

2. İnceli film Ag elektrotlarının kalkış kullanarak yapışma tabakasında imalatı

1. Spincoat AZ P4620 5 s için 1.000 rpm ve 30 s için 4.000 rpm bir spin hızı kullanarak gofret üzerine 7 μm kalınlığında pozitif photoresist.
2. 90 °C'de 450 s sıcak bir tabakta gofret üzerinde fotodirenç pişirin.
3. Maske hizalayıcı kullanarak, Ag biriktirme konumlarının UV ile açığa çıkarılabilen gofretleri açığa çıkar. Pozlama gücü yoğunluğu ve süresi sırasıyla 16 mW/cm² ve 45 s 'dir (pozlama enerji yoğunluğu = 720 mJ/cm^2).
4. Geliştirme işleminden sonra gofretini 2 dk. DIs suyuyla durulayın.
5. N₂ tabancası kullanarak gofret kurulayın. Gofret 120 °C'de 5 dk fırına koyun.
6. Gofret üzerinde 1 μm Ag tabakası fışkırtMa. Püskürtme oranı ~86 nm/dk'dır.
7. Fışkıran gofretbir kap içine yerleştirin. İçine bol miktarda aseton dökün.
8. Bir kapak kullanarak kabı kapatın. Kapaklı kabı 10 dakika boyunca veya kaldırma işlemi tamamlanana kadar ultrasonik bir temizleyiciye yerleştirin.
9. IPA ve ardından DI suyu kullanarak gofretini temizleyin. N₂ tabancası ve fırında n 2 daha sonra kullanarak kurulayın.

3. Sadece elektrotlar ve temas pedleri ortaya çıkarmak için gofret passivation

1. Plazma geliştirilmiş kimyasal buhar birikimi (PECVD) kullanarak 2 μm silikon dioksit (SiO₂₎tabakası ile tüm gofret yüzeyini pasifhale getirin.
   1. Küçük bir silikon kukla örnek (silikon gofret parçası) birlikte aynı anda gofret passivate.
   2. Kukla numunenin oksit tabakasının kalınlığını ölçün.
      NOT: Protokol burada duraklatılabilir.
2. Spincoat AZ 5214E çift ton lu fotodirenç 1.4 m kalınlığında gofret üzerine 5 s için 1000 rpm ve 30 s için 3000 rpm dönüş hızı ile yayılır hız.
3. 90 °C'de 150 s sıcak bir tabakta gofret üzerinde fotodirenç pişirin.
4. Bir maske hizalayıcı kullanarak, yastık açma yerleri UV ile maruz olacak şekilde gofret ortaya çıkar. Pozlama gücü yoğunluğu ve süresi sırasıyla 16 mW/cm² ve 2,25 s 'dir (pozlama enerji yoğunluğu = 36 mJ/cm^2).
5. Geliştirme sürecinden sonra gofret ini 75 s. Di suyu ile durulayın için FHD-5'e batırarak gofret geliştirin.
6. N₂ tabancası kullanarak gofret kuruduktan sonra, 120 °C'de 15 dakika fırında gofret daha kuru ve sert pişirin.
7. İstenmeyen fotodirenç tam kaldırılmasını sağlamak için bir plazma asher kullanarak 1 dakika için gofret üzerinde photoresist descum gerçekleştirin.
8. İnce film elektrotlarını ve temas pedlerini ortaya çıkarmak için gofret ve kukla numunesi üzerinde reaktif iyon gravür gerçekleştirin.
   1. Gravür işlemini kısa bir süre (örn. 5-10 dk) yaptıktan sonra işlemi durdurun ve sahte numuneyi alın.
   2. Sahte numunenin üzerindeki oksit tabakasının kalınlığını ölçün. Adım 3.1.2'de elde edilen sonuçla karşılaştırın.
   3. %10'luk bir overetch elde etmek için gravür süresini hassas bir şekilde ayarlamak için makinenin SiO₂ gravür oranını hesaplayın.
   4. Sahte örnek olmadan gravür işlemine devam edin.
9. 30 dakika boyunca plazma külleme tarafından kazınmış gofret şerit direnin, 5 dakika için 70 °C'de pozitif fotodirenç striptizci MS2001 banyo izledi.
10. Di suyu kullanarak gofret flush. N₂ tabancası ve fırın kullanarak gofret kurulayın.
    NOT: Protokol burada duraklatılabilir.

4. İnce film Ag/AgCl elektrotlarının (talaş) imalatına hazırlık

1. Zar farklı test yongaları elde etmek için gofret kesti.
2. İnce zımpara kağıdı kullanarak talaşüzerindeki elektrot yüzeylerini parlata.
3. Daha sonraki adımlarda ara karşıya getirmek için çipteki kontak pedlerini harici bir baskılı devre kartına bağlayın.
4. Elektroliti ince film elektrotlarında tutmak için 3D-akrilik içi boş dikdörtgen bir kap yazdırın. Dikdörtgen kabın boyutları, boşluğun içine bir tel ve pipetin rahatça yerleştirilmesine izin vermelidir.
5. Küçük miktarda polidimethylsiloxane (PDMS) prepolimerini ve kürleme maddesini iyice karıştırın. Oran 10:1 olmalıdır.
   NOT: Yüksek kaliteli PDMS cihazları elde etmek için PDMS karışımıgaz çıkarmak için çok yaygındır; ancak, karışım sadece bir yapıştırıcı olarak kullanıldığından bu durumda gerekli değildir.
6. Tüm gümüş elektrotlar konteyner boşluğu içinde olduğu gibi bir şekilde doğranmış çip üzerinde akrilik konteyner yerleştirin.
   1. Bir kürdan veya ince çubuk kullanarak, kabın ve çipin birbirine dokunduğu dış kenarına lekelenmemiş PDMS karışımını bulaştırın.
   2. Çipi düz bir sıcak tabağa dikkatlice yerleştirin ve PDMS'yi 80 °C'de 2 saat veya kap yongaya güvenli bir şekilde yapıştırıncaya kadar iyileştirin.

5. İnce film Ag/AgCl elektrotlarının imalatına hazırlık (reaktifler)

1. DI su ve konsantre hidroklorik asit (HCl) kullanarak, 0,01 M HCl çözeltisi elde edin.
2. DI su ve potasyum klorür (KCl) tozu kullanarak 3,5 M KCl çözeltisi ve 0,1 M KCl çözelti elde edin.
   NOT: Protokol burada duraklatılabilir.

6. İnce film Ag/AgCl elektrotlarının (makro elektrotlar) imalatına hazırlık

1. Gümüş teller kes.
2. Gümüş tellerin yüzeyini ince zımpara kağıdıyla parlata.
3. 1 saat için ev çamaşır suyu içine gümüş tellerin% 80 daldırma.
   NOT: Telin rengi gümüşten koyu mora dönüşecektir. Bu gümüş tel yüzeyinde AgCl oluşumunu gösterir.
4. Ag/AgCl kablosunu DI suyuyla yıkayın.
5. 15 numaralı modifikasyonlarla Hassel ve ark.'ya başvuran Ag/AgCl kablolarından birini¹⁵kullanarak Ag/AgCl referans elektrodu yapın.
   NOT: Modifikasyonlar cam kılcal damar yerine bir pipet kullanıyor, elektrolit olarak 3,5 M KCl kullanıyor, polimer blok ve altın kaplama konektörü atarak parafilm ile değiştiriyor.
6. Ag/AgCl elektrotlarını 3,5 M KCl çözeltiye batırarak saklayın. Gümüş kısmın çözümle temas etmediğinden emin olun.
   1. Ag/AgCl tellerinin birkaç parçasını kesin ve adım 5.2'de belirtilen KCl çözümlerine koyun.
      NOT: Protokol burada duraklatılabilir.

7. Mikro Ag elektrotlarının katodik temizliği

NOT: Aşağıdaki işlemlerin tümü CHI660D elektrokimyasal analizör/iş istasyonu ve beraberindeki yazılımı kullanmaktadır.

1. IPA ve ardından DI suyu kullanarak talaştemiz.
2. Akrilik kabın içine 0,01 M HCl çözeltidökün.
3. Laboratuvar temiz mendilleri kullanarak makro Ag/AgCl referans elektrodunun dış (adım 6.5'te imal edilmiş) ve makro Ag/AgCl elektrodu (adım 6.3'te üretilmiştir) kurutun.
4. Çipi ve makro elektrotları analizöre bağlayın, çip üzerindeki ince bir film Ag elektrodu çalışan elektrot olarak tanımlanır, makro Ag/AgCl referans elektrodu referans elektrodu olarak tanımlanır ve çıplak makro Ag/AgCl elektrodu sayaç elektrodu olarak tanımlanır.
5. Makro elektrotları konteynerin içine yerleştirin. Makro elektrotları sabitlemek için kabın kapağı olarak blu-tack kullanın.
6. Kurulumu faraday kafesine yerleştirin.
7. CHI660D yazılımında, pencerenin sol üst köşesindeki Kurulum sekmesine tıklayın. Sonra Teknik tıklayın | Amperometrik i-t Eğrisi | Tamam elektrotların katodik temizlik yapmak için.
8. Açılan menüde katodik temizlik parametrelerini değiştirin.
   1. Init E (V) -1,5olarak ayarlayın.
   2. Örnek Aralığı (sn) 0,1 (Varsayılan)olarak ayarlayın.
   3. Çalışma Süresini (sn) 900olarak ayarlayın.
   4. Sessiz Saat 'i (sn) 0 (Varsayılan)olarak ayarlayın.
   5. Çalışma sırasında Ölçekleri 1 (Varsayılan)olarak ayarlayın.
   6. Hassasiyeti (A/V) uygun şekilde ayarlayın. 80 μm x 80 m'lik bir elektrot için 1e-006olarak ayarlayın.
9. Tamam tuşunabasın. Menü çubuğunun altındaki Başlat simgesine basarak işlemi başlatın.
10. Deney devam etsin ve bitirsin.
11. Faraday kafesini aç.
12. Makro referansı ve karşı elektrotkaldırın. Yüzeylerini kurutun.
13. Kullanılan elektroliti bir atık kabına dökün. DI su kullanarak akrilik kabı yıkayın.

8. İnce film Ag elektrotların üstüne tek katmanlı AgCl imalatı

1. Akrilik kabın içine 0,1 M KCl çözelti dökün.
2. Çipi ve makro elektrotları analizöre bağlayın, talaş üzerindeki temizlenmiş ince film Ag elektrodu çalışan elektrot olarak tanımlanır, makro Ag/AgCl referans elektrodu referans elektrodu olarak tanımlanır ve çıplak makro Ag/AgCl elektrodu sayaç elektrodu olarak tanımlanır.
3. Makro elektrotları konteynerin içine yerleştirin. Makro elektrotları sabitlemek için kabın kapağı olarak blu-tack kullanın.
4. Kurulumu faraday kafesine yerleştirin.
5. CHI660D yazılımında, pencerenin sol üst köşesindeki Kurulum sekmesine tıklayın ve ardından Teknik | Kronopotentiyometri | Tamam gümüş elektrotlar üzerinde tek katmanlı AgCl galvanostatik imalat gerçekleştirmek için.
6. Açılır menüde, bu tür işlem için parametreleri değiştirin.
   1. Katodik Akımı (A) 0 (Varsayılan)olarak ayarlayın.
   2. İnce film elektroduna uygulanan akım yoğunluğunun 0,5 mA/cm²olmasını sağlayacak Şekilde Anodik Akım (A) ayarlayın.
   3. Yüksek ve Düşük E sınırını ve Bekleme Süresini varsayılan olarak tutun.
   4. Katodik Saati (sn) 10 (Varsayılan)olarak ayarlayın.
   5. Gerekli AgCl kapsama derecesine ulaşmak için buna karşılık Anodik Saati (sn) ayarlayın.
      NOT: Faradays Law of Electrolysis'e atıfta bulunularak% 100 kapsama alanı için gereken süre 262'dir. Gereken süre, kapsama yüzdesiyle doğrusal olarak değişir.
   6. Anodikolarak İlk Polarite ayarlayın.
   7. Veri Depolama Intvl (sn) 0,1 (Varsayılan)olarak ayarlayın.
   8. Segment Sayısını 1 (Varsayılan)olarak ayarlayın.
   9. Geçerli Anahtarlama Önceliğini Zamanolarak ayarlayın.
   10. Örnek Aralığı > = 0.0005s (Varsayılan) olduğunda Yardımcı Sinyal Kaydınınişaretini kaldırın.
7. Tamam tuşunabasın. Menü çubuğunun altındaki Başlat simgesine basarak işlemi başlatın.
8. Deney devam etsin ve bitirsin.
9. Faraday kafesini aç.
10. Makro referansı ve karşı elektrotkaldırın. Yüzeylerini kurutun.
11. Depolama için makro elektrotları 3,5 M KCl çözeltiye batırın.
12. Kullanılan elektroliti bir atık kabına dökün. Di suyu kullanarak kabı yıkayın.
13. Daha fazla işleme için parafilm kullanarak akrilik konteyner açılış kapağı.

Sonuçlar

Şekil 1, bu protokolden sonra %50 imal edilmiş tasarlanmış AgCl kapsama alanına sahip 80 μm x 80 m Ag/AgCl elektrodu göstermektedir. Gözlem olarak, AgCl yama alanı yaklaşık 68 μm x 52 μm, Hangi AgCl kapsama yaklaşık% 55 karşılık gelir. Bu, protokolün ince film Ag elektrotlarında AgCl kapsama alanını hassas bir şekilde kontrol edebildiği anlamına gelir. Üretilen AgCl tabakası da çok pürüzsüzdür, bitişik AgCl parçacıklarının...

Tartışmalar

Ag/AgCl elektrotunun fiziksel özellikleri morfolojisi ve elektrot üzerine biriken AgCl'nin yapısı tarafından kontrol edilir. Bu yazıda, gümüş elektrotun yüzeyinde ki tek bir AgCl tabakasının kapsamını tam olarak kontrol etmek için bir protokol sunduk. Protokolün ayrılmaz bir parçası, faraday'ın elektroliz yasasının değiştirilmiş bir şeklidir ve ince film gümüş elektrotlarda AgCl'nin derecesini kontrol etmek için kullanılır. Bu olarak yazılabilir:

Malzemeler

Name	Company	Catalog Number	Comments
AST Peva-600EI E-Beam Evaporation System	Advanced System Technology		For Cr/Au Deposition
AZ 5214 E Photoresist	MicroChemicals		Photoresist for pad opening
AZ P4620 Photoresist	AZ Electronic Materials		Photoresist for Ag liftoff
Branson/IPC 3000 Plasma Asher	Branson/IPC		Ashing
Branson 5510R-MT Ultrasonic Cleaner	Branson Ultrasonics		Liftoff
CHI660D	CH Instruments, Inc		Electrochemical Analyser
Denton Explorer 14 RF/DC Sputter	Denton Vacuum		For Ag Sputtering
FHD-5	Fujifilm	800768	Photoresist Development
HPR 504 Photoresist	OCG Microelectronic Materials NV		Photoresist for Cr/Au liftoff
Hydrochloric acid fuming 37%	VMR	20252.420	Making diluted HCl for cathodic cleaning
J.A. Woollam M-2000VI Spectroscopic Elipsometer	J.A. Woollam		Measurement of silicon dioxide passivation layer thickness on dummy
Multiplex CVD	Surface Technology Systems		Silicon dioxide passivation
Oxford RIE Etcher	Oxford Instruments		For Pad opening
Potassium Chloride	Sigma-Aldrich	7447-40-7	Making KCl solutions
SOLITEC 5110-C/PD Manual Single-Head Coater	Solitec Wafer Processing, Inc.		For spincoating of photoresist
SUSS MA6	SUSS MicroTec		Mask Aligner
Sylgard 184 Silicone Elastomer Kit	Dow Corning		Adhesive for container on chip