二维空间电化学沉积纳微有序结构材料的改进方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种二维空间电化学沉积纳微有序结构材料的改进方法，属于电化学技术领域。
【背景技术】
[0002]电化学沉积是在外加电场的作用下，通过电解液中的离子或分子在电极表面发生电化学或物理等过程，而获得材料产品的过程。电化学沉积方法作为一种能够快速、大量地制备功能材料的环保工艺而迅速地发展起来。近年来，电化学沉积方法被广泛地应用于新材料的制备研宄之中，从无机物质到有机物质的制备，从普通材料到纳米材料的制备，从体型材料到薄膜材料的制备等等。传统电化学沉积方法均使用电解池存放电解液，电解液中各组分在溶液中保持良好的三维运动模式，其扩散、对流和电迀移等三种运动方式没有受到任何限制，沉积出来的样品无法原位固定，所以传统电化学沉积方法在组建功能性有序结构材料方面能力有限。
[0003]二维空间内的电化学沉积方法被证实是制备纳微有序结构的有效方法之一。与传统电化学方法不同，该方法需要首先构建二维电解池，通过创建低温环境使电解液均匀结冰后，冰层与基底之间会形成一个大约300nm厚的、富含电解质的超薄液层，即二维电沉积空间。在这一空间中，电解质的扩散和对流被限制，而只能以电迀移一种方式移动。因此，电解质在沉积电场作用下，不断地迀移到沉积界面处并被沉积，且沉积物受空间尺度所限只能停留在沉积位置，最终实现原位电化学沉积，实现构建功能性有序结构材料的目的。
[0004]二维空间内的电化学沉积组装方法是采用纯化水和溶质配置电解液，在温度可控的生长室内、以表面氧化处理的硅片或玻璃片等作为基底，把基底平放在生长室内，然后将两个直条状的箔片电极平行的放在基底上面，再在两电极间滴上电解液，最后盖上盖玻片。将温度控制在适合的温度使电解液结冰，从而构建二维超薄液层沉积空间，即二维电解池。再在电极上施加不同频率、振幅的周期性沉积电势，使电解质周期性沉积。最后沉积物附着在基底上，用纯化水清洗基底后可以得到样品。但目前二维空间电化学沉积方法依然有需要改进的地方。制备有序结构材料时，需要严格控制温度、结冰均匀度、沉积电压等条件。该方法沉积时生长点数量约为2-3个、且位置不固定，沉积得到的大面积沉积材料大部分(尤其边缘区域)是无序的，只有中心区域为有序结构，面积小且重复性不理想。制备纳微器件时需要将大量的无序结构部分去掉，浪费了原材料和时间。这主要是由于现有技术使用的是一对平行的直条状电极，电极侧面处处等同，所以在电极侧面无法固定原始沉积的生长点。当沉积物在生长点开始生长后，其生长前端与阳极会不断形成新的沉积电场分布，并且这一电场是发散的，不利于制备周期稳定、结构平行可控的结构材料，导致制备的不确定因素过多，因而实验重复率不高，产品生产效率低。
[0005]发明目的
[0006]本发明的目的在于提供一种二维空间电化学沉积纳微有序结构材料的改进方法，具有生长点多，实验不确定因素少，实验重复率及生产效率高等优点。
[0007]所述的二维空间电化学沉积纳微有序结构材料的改进方法，首先采用蒸馏水和溶质配置电解液，然后以表面氧化处理的硅片或玻璃片作为基底、并平放在温度可控的生长室内，将两片箔片电极分别作为二维电解池阴极和阳极，平行的放在基底上面。在两电极间滴上电解液，盖上盖玻片，并控制温度使电解液结冰。再在电极上施加沉积电势，待沉积完毕，沉积物附着在基底上。最后用蒸馏水清洗基底。所述的二维电解池阴极为带有尖端的、有规律形状的箔片电极，所述的沉积电势为稳压电势或周期性沉积电势中的一种。
[0008]所述作为二维电解池阴极的箔片电极厚度为20-50 μ m，宽为l_3mm，尖端长度为l_2mm，尖端之间相距0.l_2mm。
[0009]所述的周期性沉积电势为直流电压或正弦波电压、脉冲波电压、方波电压中的一种。
[0010]所述的周期性沉积电势电压幅度范围为0.3V-1.8V，周期性电压频率为0.1-2HZO
[0011]具体的二维空间电化学沉积纳微有序结构材料的改进方法，包括以下步骤:
[0012](I)采用蒸馏水和电解质原材料配置20mM-100mM的电解液；
[0013](2)在温度可控的生长室内，以表面氧化处理的硅片或玻璃片作为基底，把作为阴极的带有尖端的、有规律形状的箔片电极和作为阳极的直条状箔片电极以相距6-8mm的距离平行的放在基底上面，在两电极间滴加20-30 μ L电解液，盖上盖玻片，将温度控制在-2—8°C，放置20-40分钟；其中作为阴极带有尖端的、有规律形状的箔片电极的厚度为20-50 μ m,宽为l-3mm，尖端长度为l_2mm，尖端之间相距0.1-2mm ；
[0014](3)然后用生长室内的制冷元件将电解液制冷结冰，并保持恒温状态放置0.5-1小时；
[0015](4)在电极上施加直流电压或正弦波、脉冲波、方波等周期性波形电压使电解质沉积，其中电压幅度范围为0.3V-1.8V，周期性电压频率为0.l-2Hz ；
[0016](5)沉积结束后取出基底并用蒸馏水清洗，得到附着在基底上的纳微有序结构材料。
[0017]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0018]本发明实现了二维空间内的电化学沉积方法通过尖端放电来控制沉积生长点，并产生类平行准静态均匀电场的目的。通过采用带有尖端的沉积电极，把之前两平行电极之间的大而不稳定的沉积电场分解成许多小的、更稳定的初始均衡电场，并保持沉积生长过程中电场始终为准静态均匀分布，进而减少该方法制备过程中的不确定因素，极大提高了实验重复率。本发明沉积时生长点有3-6个，且只在尖端处开始沉积，每个生长点处沉积的结构材料面积比原来平均减少七分之一左右，但有序结构的总面积增大约50%，并且不同生长点处沉积的有序结构材料彼此是分立的，可以很容易的分开并用于多个纳微器件的制备，提高了生产效率。本发明可以通过电极形状(锯齿状、梳子状、弧度曲线等)、材质等的变化，通过两个电极不同形状的组合构建分布不同的沉积电场，制备具有不同结构、不同周期形貌的纳微有序结构材料。通过对二维空间电化学沉积法制备纳微有序结构材料的方法进行改进，制备的纳微有序结构材料总面积、重复率等都有明显改善，提高了生产效率。实验结束后，电极可以被取下重复使用，而沉积样品被保留在基底上，可用于下一步处理