МАКРОСКОПИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ГАЛЬВАНИЧЕСКОГО ОСАЖДЕНИЯ

Афанасьева А.С.

студент магистратуры

Самарский государственный университет

Россия

МАКРОСКОПИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ГАЛЬВАНИЧЕСКОГО ОСАЖДЕНИЯ

Электроосаждение – это процесс получения на поверхности изделия слоев металлов из растворов их солей под действием постоянного электрического тока.

Электролитический или гальванический метод получения металлических покрытий был разработан в середине XIX века, но сначала не имел широкого применения в промышленности из-за отсутствия достаточно мощных источников постоянного тока.

Процесс выделения металла фактически состоит в погружении предмета (электрода) в сосуд (электролизер, гальваническую ванну, электрохимическую ячейку), содержащий электролит и противоэлектрод, после чего электроды подключают к внешнему источнику электрического тока. Изделие, на которое осаждается пленка, является катодом, то есть контактируют с отрицательным полюсом источника постоянного тока. Анодом обычно служит пластина или прут из того металла, осаждение которого производится. Эта пластина контактируют с положительным полюсом источника постоянного тока и при прохождении через нее электрического тока растворяется, компенсируя убыль ионов, осаждающихся на покрываемых изделиях.

При электроосаждении меди из раствора медного купороса в качестве анода выступает медная пластина. С приложением к электродам разности потенциалов происходит разложение электролита на ионы. Под действием электрического тока, протекающего через раствор, находящиеся в растворе ионы металла, двигаясь к аноду, захватывают на нем электроны и, осаждаясь, превращаются в нейтральные атомы. Под действием тока ионы меди, достигая катода, отбирают два электрона, образуя нейтральные атомы, а на аноде атом меди отдает два электрона и переходит в раствор в виде положительного иона. Процесс описывается следующими уравнениями:

на катоде:

на аноде:

Осаждение атомов металла начинается на дефектах структуры подложки, после этого они перемещаются вдоль поверхности к изломам, образуя пленку. Таким образом, пленка развивается островками, которые разрастаются во всех направлениях, пока не сольются. Если вблизи зародыша концентрация электролита понижена (что имеет место в большинстве случаев), то условия благоприятны для роста пленки по нормали к поверхности.

Свойства осажденных пленок зависят от состава электролита, плотности тока, температуры, интенсивности перемешивания электролита, скорости дрейфа ионов металла, формы и состояния поверхности подложки.

Толщина пленки контролируется по значению тока и времени осаждения:

где η – выход металла по току, g – электрохимический эквивалент, I – ток, протекающий через электролит, t – время, в течение которого осаждается металл, γ – плотность пленки, Sп – площадь подложки.

Практически значение тока постоянно, а время осаждения – контролируемый параметр.

Методом электроосаждения получают пленки из различных металлов: меди, никеля, золота, серебра и др.

Процессы осаждения металлов используются для практических целей в различных областях техники – от металлургии и тяжелой промышленности до микроэлектроники и нанотехнологий. Масштаб изделий, получаемых при электроосаждении, может широко варьироваться – от сотен метров при изготовлении оцинкованных или луженых стальных листов до рисунков микросхемы с проводящими линиями шириной от 20 до100 нм.

На макроуровне процесс электроосаждения описывается законами Фарадея. Эти законы определяют соотношение между массой продукта, образующегося на электроде, и количеством электричества (электрическим зарядом), пропущенным через электролит.

Первый закон Фарадея: масса вещества, осаждённого на электроде, прямо пропорциональна количеству электричества, переданного на этот электрод. Под количеством электричества имеется в виду электрический заряд, измеряемый, как правило, в кулонах.

В 1832 году Фарадей установил, что масса m вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна электрическому заряду q, прошедшему через электролит:

если через электролит пропускается в течение времени t постоянный ток с силой тока I. Коэффициент пропорциональности  называется электрохимическим эквивалентом вещества. Он численно равен массе вещества, выделившегося при прохождении через электролит единичного электрического заряда, и зависит от химической природы вещества.

Вывод закона Фарадея

где z – валентность атома (иона) вещества, e – заряд электрона

Подставляя (1.2.3)-(1.2.6) в (1.2.2), получим

Где  – постоянная Фарадея.

Второй закон Фарадея: данного количества электричества масса химического элемента, осаждённого на электроде, прямо пропорциональна эквивалентной массе элемента. Эквивалентной массой вещества является его молярная масса, делённая на целое число, зависящее от химической реакции, в которой участвует вещество.

Электрохимические эквиваленты различных веществ относятся, как их химические эквиваленты.

Химическим эквивалентом иона называется отношение молярной массы A иона к его валентности Z. Поэтому электрохимический эквивалент

Где F – постоянная Фарадея.

Второй закон Фарадея записывается в следующем виде:

Где M – молярная масса данного вещества, образовавшегося (однако не обязательно выделившегося: оно могло и вступить в какую-либо реакцию сразу после образования) в результате электролиза, г/моль; I – сила тока, пропущенного через вещество или смесь веществ (раствор, расплав), А;  – время, в течение которого проводился электролиз, с; F – постоянная Фарадея, Кл·моль−1; n – число участвующих в процессе электронов, которое при достаточно больших значениях силы тока равно абсолютной величине заряда иона (и его противоиона), принявшего непосредственное участие в электролизе (окисленного или восстановленного). Однако это не всегда так; например, при электролизе раствора соли меди(II) может образовываться не только свободная медь, но и ионы меди(I) (при небольшой силе тока).

Однако при рассмотрении электроосаждения на микроуровне возникает необходимость учитывать процессы в приповерхностном слое.