鎳微納米針錐陳列材料的電沉積制備與性能研究.pdf

1、微納米陣列材料,由于其特殊的表面微納米結(jié)構(gòu)、高化學活性等,決定了它在催化、光學、磁學、電子學等方面表現(xiàn)出良好的功能特性,在微電子、新能源、醫(yī)療器械、化工、軍事等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景,已成為當今研究的熱點之一。但目前制備微納米陣列結(jié)構(gòu)材料的方法多為光刻法、模板法等,設(shè)備昂貴,工藝復(fù)雜,加工尺寸有限,極大地限制了它在各個領(lǐng)域的應(yīng)用。因此,開發(fā)工藝簡單、成本低廉的新型制備方法是當前研究的重要課題之一。
　　 本文基于電化學沉積原理,

2、提出了一種無模板制備表面微納米陣列材料的新方法--定向電結(jié)晶法；通過對鎳微納米針錐陣列材料的制備工藝研究,探索了定向電結(jié)晶方法的可行性；借助電化學方法和顯微分析等手段,系統(tǒng)研究了鎳微納米針錐陣列材料的定向電結(jié)晶機理；表征了該材料的基本特性,并對其在電子封裝材料中的應(yīng)用進行了嘗試性研究。
　　 在制備方面,通過鍍層表面形貌的對比,對篩選出的兩種金屬主鹽及四種結(jié)晶調(diào)整劑進行了定向電結(jié)晶可行性的研究,結(jié)果表明在氯化物鍍液中添加含胺(銨

3、)基的結(jié)晶調(diào)整劑可獲得鎳微納米針錐晶,證實了定向電結(jié)晶的可行性,確定了鎳定向電結(jié)晶的鍍液體系。在此基礎(chǔ)上詳細研究了各種電沉積條件對微納米針錐陣列形貌及尺寸的影響,表明溶液溫度升高有利于微納米針錐陣列的形成、提高電流密度會減小微納米針錐的尺寸,改變沉積時間可以獲得不同尺寸的針錐晶陣列,通過電沉積條件的適當選擇,實現(xiàn)了鎳微納米針錐陣列尺寸在50 nm到1500 nm范圍內(nèi)的可控制備。
　　 為探索定向電結(jié)晶機理,研究了鍍液中結(jié)晶調(diào)整

4、劑與鎳離子的絡(luò)合形態(tài)和電沉積過程的電化學行為。鍍液紫外可見光譜及電極反應(yīng)數(shù)據(jù)表明結(jié)晶調(diào)整劑中的銨根與鎳離子在溶液中不發(fā)生絡(luò)合,并排除了擴散傳質(zhì)導致針錐形成的可能性。進一步研究發(fā)現(xiàn)定向電結(jié)晶初期按瞬時形核三維生長方式進行,鎳微納米針錐陣列的電沉積過程存在著中間產(chǎn)物,結(jié)晶調(diào)整劑主要通過在電極表面吸附,參與電極表面的電化學反應(yīng)影響電結(jié)晶過程,并形成阻滯作用從而引起阻抗譜中低頻區(qū)的容抗弧。最后提出了該反應(yīng)的等效電路模型,模擬結(jié)果與實驗結(jié)果具有較

5、好的一致性。
　　 通過XRD、FE-SEM、HRTEM等分析技術(shù)對針錐晶的微觀結(jié)構(gòu)進行了表征。結(jié)果表明,沉積初期鍍層呈現(xiàn)(111)織構(gòu)。隨著晶體的長大,鍍層逐漸向(110)織構(gòu)轉(zhuǎn)變,并最終形成具有[110]取向的針錐晶陣列。發(fā)現(xiàn)了大部分微納米針錐晶呈現(xiàn)出五棱錐形貌,推測其為以[110]為取向軸,(100)為側(cè)面,(111)面為孿晶面的多重孿晶結(jié)構(gòu)。針錐晶的生長可用單螺旋位錯理論解釋,臺階邊界能的各向異性導致棱錐的產(chǎn)生。根據(jù)螺旋

6、生長理論,推導出微納米針錐的長徑比與螺旋生長電流密度的平方根成正比,而結(jié)晶調(diào)整劑則可能通過阻礙生長臺階的平行擴展而促使針錐晶向上生長。
　　 本文還對鎳微納米針錐陣列材料的幾種主要性能進行了表征。該材料的比表面積比普通鍍鎳層表面高2倍以上；在整個紫外可見光范圍內(nèi),微納米針錐陣列結(jié)構(gòu)的反射率都低于10％,具有很好的吸光性能；鎳基納米針陣列材料的易磁化軸平行于基底表面,其矯頑力遠大于塊狀鎳金屬的矯頑力。在濺射Cu玻璃基片上制備的鎳微

7、納米針錐陣列顯示了良好的場發(fā)射性能；利用分步沉積法制備的微納米針錐分級結(jié)構(gòu)的鎳薄膜具有超疏水特性。
　　 最后對微納米針錐陣列材料在電子封裝領(lǐng)域的實際應(yīng)用做了嘗試。在引線框架表面引入微納米針錐陣列結(jié)構(gòu),利用其較大的比表面積且可與封裝樹脂產(chǎn)生物理鑲嵌咬合作用,從而增強引線框架與封裝樹脂間結(jié)合力達兩倍以上,提高了電子產(chǎn)品的可靠性。同時,拉力測試和可焊性測試的結(jié)果表明,微納米針錐陣列結(jié)構(gòu)對引線框架與金線鍵合的強度影響不大,且該結(jié)構(gòu)引線