جوانهزنی و رشد الکتروشیمیایی مس روی پایه مولیبدن: اثر pH، پتانسیل و روش تمیز کردن سطح
الموضوعات : فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین
غلامرضا حیدری
1
(دانشگاه صنعتی اسفراین، اسفراین، ایران)
سید محمد موسوی خوئی
2
(دانشکده معدن و متالورژی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران)
مهدی قاسمی فرد
3
(دانشگاه صنعتی اسفراین، اسفراین، ایران)
مهران جوانبخت
4
(دانشکده مستقل شیمی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران)
الکلمات المفتاحية: مولیبدن, مس, رسوبدهی الکتروشیمیایی, جوانهزنی و رشد,
ملخص المقالة :
در این تحقیق با استفاده از تکنیکهای ولتامتری سیکلی[1] و کرونوآمپرومتری[2] مراحل اولیه رسوبدهی الکتروشیمیایی مس روی فلز پایه مولیبدن در محلول اندکی اسیدی مطالعه شده است. رسوبدهی الکتروشیمیایی مس بر روی فلز پایه مولیبدن از دیدگاه ترمودینامیکی، سینتیکی، مکانیزم جوانهزنی و رشد مورد ارزیابی قرار گرفت. با استفاده از ولتامتری سیکلی تعیین شد که رسوبدهی الکتروشیمیایی مس روی فلز پایه مولیبدن یک فرایند برگشتناپذیر و تحت کنترل نفوذ میباشد. تحت کنترل نفوذ بودن رسوبدهی الکتروشیمیایی مس بر روی فلز پایه مولیبدن توسط رابطهی Randles-Sevcik تایید گردید. ضریب نفوذ مس در 3 pH= و 4 با استفاده از رابطهی Randles-Sevcik و رابطهی Cottrel محاسبه شدند که در تطابق خوبی با هم بودند. با استفاده از مدل Sharifker-Hills منحنیهای جریان گذرا[3]مس تحلیل شدند. مکانیزم جوانهزنی مس به عنوان تابعی از pH و پتانسیل مورد بررسی قرار گرفتند. در3 pH= و 4 مکانیزم جوانهزنی و رشد مس روی نمونه سمباده شده به‌صورت ترکیبی از آنی[4] و پیشرونده[5] سه بعدی بود درحالی‌که با افزایش pH و پتانسیل مکانیزم جوانهزنی به سمت مکانیزم آنی سه بعدی متمایل شد. غوطه‌ور کردن فلز پایه در محلول حاوی آمونیاک و سپس اسید کلریدریک بعد از سمباده زدن تاثیری بر روی مکانیزم جوانهزنی و رشد نداشت. اچ کردن فلز پایه در محلول حاوی اسید سولفوریک، اسید نیتریک و اسید کلریدریک بعد از سمباده زدن مکانیزم جوانهزنی را از حالت آنی سه بعدی به پیشرونده سه بعدی تغییر داد.
[1] -Cyclic voltammetry
[2] -Chronoamperometry
[3] -current transient
[4]- instantaneous
[5]- progressive
1-K.-H. Liao, C.-Y. Su, Y.-T. Ding, H.-S. Koo, "Microstructural characterization of CIGS formation using different selenization processes", Applied Surface Science, Vol. 270, pp. 139-144, 2013.
2-G.-X. Liang, P. Fan, C.-M. Chen, Z.-H. Zheng, D.-P. Zhang, "A promising sputtering for in situ fabrication of CIGS thin films without post-selenization",
Journal of Alloys and Compounds, Vol. 610, pp. 337-340, 2014.
3-S.-J. Sung, M.S. Park, D.-H. Kim, J.-K. Kang, "Effect of Soft-annealing on the
Properties of CIGSe Thin Films Prepared from Solution Precursors", Bull. Korean Chem. Soc, Vol. 34, pp. 1473, 2013.
4-E. Ahmed, M. Amar, W. Ahmed, R.D. Pilkington, A.E. Hill, M.J. Jackson, "Laser annealing of flash-evaporated CuInSe2 thin films", J. of Materi Eng and Perform, Vol. 15, pp. 213-217, 2006.
5-K.R. Murali, A. Shanmugavel, K. Srinivasan, "Photoelectrochemical characteristics of pulse electrodeposited CuInS2 films", Ionics, Vol. 17, pp. 157-162, 2011.
6-M. Ikhlasul Amal, K. Kim, "Structural and optical properties of sulfurized Cu2ZnSnS4 thin films from Cu–Zn–Sn alloy precursors", J Mater Sci: Mater Electron, Vol. 24, pp. 559-566, 2013.
7-J. Zhang, L. Shao, "Cu2ZnSnS4 thin films prepared by sulfurizing different multilayer metal precursors", Sci. China Ser. E-Technol. Sci., Vol. 52, pp. 269-272, 2009.
8-M. Danilson, M. Altosaar, M. Kauk, A. Katerski, J. Krustok, J. Raudoja, "XPS study of CZTSSe monograin powders", Thin Solid Films, Vol. 519, pp. 7407-7411, 2011.
9-H. Katagiri, K. Jimbo, W.S. Maw, K. Oishi, M. Yamazaki, H. Araki, A. Takeuchi, "Development of CZTS-based thin film solar cells", Thin Solid Films, Vol. 517, pp. 2455-2460, 2009.
10-N. Aihara, H. Araki, A. Takeuchi, K. Jimbo, H. Katagiri, "Fabrication of Cu2SnS3 thin films by sulfurization of evaporated Cu-Sn precursors for solar cells", physica status solidi (c), Vol. 10, pp. 1086-1092, 2013.
11-C. Kotaro, K. Junpei, E. Shinya, A. Hideaki, N. Ryota, J. Kazuo, K. Hironori, "Preparation of Cu 2 SnS 3 Thin Films by Sulfurization of Cu/Sn Stacked Precursors", Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 51, pp. 10NC35, 2012.
12-M.R. Khelladi, L. Mentar, A. Azizi, L. Makhloufi, G. Schmerber, A. Dinia, "The potential dependence of Co–Cu alloy thin films electrodeposited on n-Si(100) substrate", J Mater Sci: Mater Electron, Vol. 23, pp. 2245-2250, 2012.
13-G. Heidari, H. Tavakoli, S.M. Mousavi Khoie, "Nano SiC-Nickel Composite Coatings from a Sulfamat Bath Using Direct Current and Pulsed Direct Current", J. of Materi Eng and Perform, Vol. 19, pp. 1183-1188, 2010.
14-Y. Kwon, H.-G. Hong, "Electrodeposition of Graphene–Zn/Al Layered Double Hydroxide (LDH) Composite for Selective Determination of Hydroquinone", Bull. Korean Chem. Soc, Vol. 34, pp. 1755, 2013.
15-ر.س. گیلاکجانی, ف. محبوبی, م. کاظمی, " بررسی رفتار تریبولوژیکی پوشش کامپوزیتیNi-P-SiC ایجاد شده روی آلیاژ آلومینیم Al6061 به روش آبکاری شیمیایی", فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین، جلد 5، ص 1-9، 1394.
16-S.M. Pawar, B.S. Pawar, A.V. Moholkar, D.S. Choi, J.H. Yun, J.H. Moon, S.S. Kolekar, J.H. Kim, "Single step electrosynthesis of Cu2ZnSnS4 (CZTS) thin films for solar cell application", Electrochimica Acta, Vol. 55, pp. 4057-4061, 2010.
17-B.S. Pawar, S.M. Pawar, S.W. Shin, D.S. Choi, C.J. Park, S.S. Kolekar, J.H. Kim, "Effect of complexing agent on the properties of electrochemically deposited Cu2ZnSnS4 (CZTS) thin films", Applied Surface Science, Vol. 257, pp. 1786-1791, 2010.
18-M. Jeon, Y. Tanaka, T. Shimizu, S. Shingubara, "Formation and characterization of single-step electrodeposited Cu2ZnSnS4 thin films: Effect of complexing agent volume", Energy Procedia, Vol. 10, pp. 255-260, 2011.
19-M. Jeon, T. Shimizu, S. Shingubara, "Cu2ZnSnS4 thin films and nanowires prepared by different single-step electrodeposition method in quaternary electrolyte", Materials Letters, Vol. 65, pp. 2364-2367, 2011.
20-R. Schurr, A. Hölzing, S. Jost, R. Hock, T. Voβ, J. Schulze, A. Kirbs, A. Ennaoui, M. Lux-Steiner, A. Weber, I. Kötschau, H.W. Schock, "The crystallisation of Cu2ZnSnS4 thin film solar cell absorbers from co-electroplated Cu–Zn–Sn precursors", Thin Solid Films, Vol. 517, pp. 2465-2468, 2009.
21-J. Li, T. Ma, M. Wei, W. Liu, G. Jiang, C. Zhu, "The Cu2ZnSnSe4 thin films solar cells synthesized by electrodeposition route", Applied Surface Science, Vol. 258, pp. 6261-6265, 2012.
22-E.M. Mkawi, K. Ibrahim, M.K.M. Ali, K.M.A. Saron, M.A. Farrukh, N. Allam, "Influence of substrate temperature on the properties of electrodeposited kesterite Cu2ZnSnS4 (CZTS) thin films for photovoltaic applications", J Mater Sci: Mater Electron, Vol. pp. 1-7, 2014.
23-E.M. Mkawi, K. Ibrahim, M.K.M. Ali, M.A. Farrukh, A.S. Mohamed, "Dependence of the properties of copper zinc tin sulfide thin films prepared by electrochemical deposition on sulfurization temperature", J Mater Sci: Mater Electron, Vol. 25, pp. 857-863, 2014.
24-P.K. Sarswat, M. Snure, M.L. Free, A. Tiwari, "CZTS thin films on transparent conducting electrodes by electrochemical technique", Thin Solid Films, Vol. 520, pp. 1694-1697, 2012.
25-D.M. Berg, R. Djemour, L. Gütay, G. Zoppi, S. Siebentritt, P.J. Dale, "Thin film solar cells based on the ternary compound Cu2SnS3", Thin Solid Films, Vol. 520, pp. 6291-6294, 2012.
26-J.J. Scragg, D.M. Berg, P.J. Dale, "A 3.2% efficient Kesterite device from electrodeposited stacked elemental layers", Journal of Electroanalytical Chemistry, Vol. 646, pp. 52-59, 2010.
27-J.J. Scragg, P.J. Dale, L.M. Peter, "Towards sustainable materials for solar energy conversion: Preparation and photoelectrochemical characterization of Cu2ZnSnS4", Electrochemistry Communications, Vol. 10, pp. 639-642, 2008.
28-J.J. Scragg, P.J. Dale, L.M. Peter, "Synthesis and characterization of Cu2ZnSnS4 absorber layers by an electrodeposition-annealing route", Thin Solid Films, Vol. 517, pp. 2481-2484, 2009.
29-G. Ma, T. Minegishi, D. Yokoyama, J. Kubota, K. Domen, "Photoelectrochemical hydrogen production on Cu2ZnSnS4/Mo-mesh thin-film electrodes prepared by electroplating", Chemical Physics Letters, Vol. 501, pp. 619-622, 2011.
30-J. Kelber, S. Rudenja, C. Bjelkevig, "Electrodeposition of copper on Ru(0 0 0 1) in sulfuric acid solution: Growth kinetics and nucleation behavior", Electrochimica Acta, Vol. 51, pp. 3086-3090, 2006.
31-D. Grujicic, B. Pesic, "Electrodeposition of copper: the nucleation mechanisms", Electrochimica Acta, Vol. 47, pp. 2901-2912, 2002.
32-A.I. Danilov, E.B. Molodkina, Y.M. Polukarov, "Initial Stages of Copper Electrocrystallization on a Glassy-Carbon Ring–Disk Electrode from Sulfate Electrolytes of Various Acidity: A Cyclic Voltammetry Study", Russian Journal of Electrochemistry, Vol. 38, pp. 732-742, 2002.
33-D. Mercier, E. Delbos, H. El Belghiti, J. Vigneron, M. Bouttemy, A. Etcheberry, "Study of Copper Electrodeposition Mechanism on Molybdenum Substrate", Journal of The Electrochemical Society, Vol. 160, pp. D3103-D3109, 2013.
34-A.V. Rudnev, E.B. Molodkina, A.I. Danilov, Y.M. Polukarov, J.M. Feliu, "Kinetics of underpotential deposition and nucleation of copper on the Pt(111) face in the presence of acetonitrile", Russian Journal of Electrochemistry, Vol. 42, pp. 381-392, 2006.
35-A. Radisic, P.M. Vereecken, P.C. Searson, F.M. Ross, "The morphology and nucleation kinetics of copper islands during electrodeposition", Surface Science, Vol. 600, pp. 1817-1826, 2006.
36-S.B. Kim, K.T. Kim, C.J. Park, H.S. Kwon, "Electrochemical nucleation and growth of copper on chromium-plated electrodes", Journal of Applied Electrochemistry, Vol. 32, pp. 1247-1255, 2002.
37-R. Krumm, B. Guel, C. Schmitz, G. Staikov, "Nucleation and growth in electrodeposition of metals on n-Si(111)", Electrochimica Acta, Vol. 45, pp. 3255-3262, 2000.
38-P. Ren, N. Dai, H. Deng, J. Zhang, "Growth Kinetics and Microstructures of Cu Nanofilms on Mo Substrate by Electrodeposition", Journal of The Electrochemical Society, Vol. 162, pp. D9-D14, 2015.
39-S.M.M.K. G.Heidari, M. Ebrahimizadeh Abrishami, M. Javanbakht, "Electrodeposition of Cu-Sn Alloys : Theoretical and Experimental Approaches", Journal of Materials Science: Materials in Electronics, Article in press, Vol. pp.
40-F.I. Lizama Tzec, G. Oskam, "Electrodeposition of Copper in Trenches From a Citrate Plating Bath", ECS Transactions, Vol. 25, pp. 195-201, 2010.
41-M. Rezaei, M. Ghorbani, A. Dolati, "Electrochemical investigation of electrodeposited Fe–Pd alloy thin films", Electrochimica Acta, Vol. 56, pp. 483-490, 2010.
42-L. Soleimany, A. Dolati, M. Ghorbani, "A study on the kinetics of gold nanowire electrodeposition in polycarbonate templates", Journal of Electroanalytical Chemistry, Vol. 645, pp. 28-34, 2010.
43-L.R.F. Allen J. Bard, Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications, 2nd ed., Wiley, New York, 2001.
44-M. Majidi, K. Asadpour-Zeynali, B. Hafezi, "Reaction and nucleation mechanisms of copper electrodeposition on disposable pencil graphite electrode", Electrochimica Acta, Vol. 54, pp. 1119-1126, 2009.
45-L.D. Zhou, Yatang ; Zhang, Huan ; Jia, Yurong ; Zhang, Jie ; Li, Changxiong ;, "Nucleation and Growth of Bismuth Electrodeposition from Alkaline Electrolyte", Bulletin of the Korean Chemical Society, Vol. 33, pp. 1541-1546, 2012.
46-B. Scharifker, G. Hills, "Theoretical and experimental studies of multiple nucleation", Electrochimica Acta, Vol. 28, pp. 879-889, 1983.
47-C. Han, Q. Liu, D.G. Ivey, "Nucleation of Sn and Sn–Cu alloys on Pt during electrodeposition from Sn–citrate and Sn–Cu–citrate solutions", Electrochimica Acta, Vol. 54, pp. 3419-3427, 2009.
48-D. Grujicic, B. Pesic, "Reaction and nucleation mechanisms of copper electrodeposition from ammoniacal solutions on vitreous carbon", Electrochimica Acta, Vol. 50, pp. 4426-4443, 2005.
_||_
