Fremstilling af tyndfilm Sølv/Sølvchloridelektroder med fint kontrolleret enkeltlags sølvchlorid
Summary
Dette papir har til formål at præsentere en metode til at danne glatte og velkontrollerede film af sølvchlorid (AgCl) med udpeget dækning på toppen af tynd film sølv elektroder.
Abstract
Dette papir har til formål at præsentere en protokol til at danne glatte og velkontrollerede film af sølv / sølvchlorid (Ag / AgCl) med udpeget dækning på toppen af tynd film sølv elektroder. Tyndfilm sølv elektroder størrelse 80 μm x 80 μm og 160 μm x 160 μm blev sputtered på kvarts wafers med en krom / guld (Cr / Au) lag for vedhæftning. Efter passivering, polering og katodisk rengøring processer, elektroderne undergik galvanisostatisk oxidation med hensyn til Faraday’s lov af elektrolyse til at danne glatte lag af AgCl med en udpeget grad af dækning på toppen af sølv elektroden. Denne protokol er valideret ved inspektion af scanning elektron mikroskop (SEM) billeder af overfladen af den fabrikerede Ag / AgCl tyndfilm elektroder, som fremhæver funktionalitet og ydeevne af protokollen. Sub-optimalt fremstillede elektroder er fremstillet så godt til sammenligning. Denne protokol kan i vid udstrækning anvendes til at fremstille Ag / AgCl elektroder med specifikke impedans krav (f.eks sondering elektroder til impedans sensing applikationer som impedans flow cytometri og interdigiterede elektrode arrays).
Introduction
Ag/AgCl elektroden er en af de mest anvendte elektroder inden for elektrokemi. Det er mest almindeligt anvendt som referenceelektrode i elektrokemiske systemer på grund af dets let fabrikation , ikke-giftige egenskab og stabile elektrodepotentiale1,2,3,4,5,6.
Forskere har forsøgt at forstå mekanismen i Ag / AgCl elektroder. Laget af kloridsalt på elektroden har vist sig at være et grundlæggende materiale i ag/agcl-elektrodens karakteristiske redox-reaktion i et chlorid, der indeholder elektrolyt. For oxidationsstien, sølv på ufuldkommenhed steder på overfladen af elektroden kombinerer med chloridioner i opløsningen til at danne opløselige AgCl komplekser, hvor de diffuse til kanterne af AgCl deponeret på overfladen af elektroden til udfældning i form af AgCl. Reduktionsvejen indebærer dannelsen af opløselige AgCl-komplekser ved hjælp af AgCl på elektroden. Komplekserne diffust til sølvoverfladen og reducerer tilbage til elementært sølv7,8.
AgCl-lagets morfologi er en central indflydelse på Ag/AgCl-elektrodernes fysiske egenskaber. Forskellige arbejder viste , at det store overfladeareal er nøglen til reference Ag/AgCl elektroder med meget reproducerbare og stabile elektrodepotentialer9,10,11,12. Derfor har forskere undersøgt metoder til at skabe Ag/AgCl elektroder med et stort overfladeareal. Brewer et al. opdagede, at ved hjælp af konstant spænding i stedet for konstant strøm til at fremstille Ag / AgCl elektroder ville resultere i en meget porøs AgCl struktur, øge overfladearealet af AgCl lag11. Safari et al. benyttede sig af massetransport begrænsning effekt under AgCl dannelse på overfladen af sølv elektroder til at danne AgCl nanoark på toppen af dem, øge overfladearealet af AgCl lag betydeligt12.
Der er en stigende tendens til at designe AgCl elektrode til sensing applikationer. En lav kontakt impedans er afgørende for sensing elektroder. Således er det vigtigt at forstå, hvordan overfladebelægning af AgCl ville påvirke dens impedans egenskab. Vores tidligere forskning viste, at graden af AgCl dækning på sølv elektroden har en afgørende indflydelse på impedans karakteristisk for elektrode / elektrolyt interface13. Men for korrekt at vurdere kontakt impedans af tyndfilm Ag / AgCl elektroder, skal AgCl dannet dannet lag være glat og har velkontrolleret dækning. Derfor er der behov for en metode til at danne jævne AgCl-lag med angivne grader af AgCl-dækning. Der er gjort en indsats for at løse dette behov delvist. Brewer et al. og Pargar et al. diskuterede, at en glat AgCl kan opnås ved hjælp af en blid konstant strøm, der fabrikerer AgCl laget på toppen af sølvelektroden11,14. Katan et al. dannede et enkelt lag AgCl på deres sølvprøver og observerede størrelsen af de enkelte AgCl partikler8. Deres forskning viste, at tykkelsen af et enkelt lag af AgCl er omkring 350 nm. Formålet med dette arbejde er at udvikle en protokol til at danne fine og velkontrollerede film af AgCl med forventede impedans egenskaber på toppen af sølv elektroder.
Protocol
Representative Results
Discussion
De fysiske egenskaber af en Ag/AgCl elektrode styres af morfologien og strukturen af AgCl deponeret på elektroden. I dette papir præsenterede vi en protokol til præcist at styre dækningen af et enkelt lag AgCl på overfladen af sølvelektroden. En integreret del af protokollen er en modificeret form af Faraday’s lov af elektrolyse, som bruges til at kontrollere graden af AgCl på den tynde film sølv elektroder. Det kan skrives som:
<img alt="Equation" src="/files/ftp_upload/60820/60820eq1…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af et tilskud fra RGC-NSFC-fællesfonden, der blev støttet af Rådet for Forskningsbevillinger i Hongkong (projektnr. N_HKUST615/14). Vi vil gerne anerkende Nanosystem Fabrication Facility (NFF) af HKUST for enheden / systemet fabrikation.
Materials
| 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 |
References
- Bakker, E., Telting-Diaz, M. Electrochemical sensors. Analytical Chemistry. 74 (12), 2781-2800 (2002).
- Jobst, G., et al. Thin-Film Microbiosensors for Glucose-Lactate Monitoring. Analytical Chemistry. 68 (18), 3173-3179 (1996).
- Matsumoto, T., Ohashi, A., Ito, N. Development of a micro-planar Ag/AgCl quasi-reference electrode with long-term stability for an amperometric glucose sensor. Analytica Chimica Acta. 462 (2), 253-259 (2002).
- Suzuki, H., Hirakawa, T., Sasaki, S., Karube, I. An integrated three-electrode system with a micromachined liquid-junction Ag/AgCl liquid-junction Ag/AgCl reference electrode. Analytica Chimica Acta. 387 (1), 103-112 (1999).
- Ives, D. J. G., Janz, G. J. . Reference Electrodes – theory and practice. , (1961).
- Huynh, T. M., Nguyen, T. S., Doan, T. C., Dang, C. M. Fabrication of thin film Ag/AgCl reference electrode by electron beam evaporation method for potential measurements. Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology. 10 (1), 015006 (2019).
- Katan, T., Szpak, S., Bennion, D. N. Silver/silver chloride electrode: Reaction paths on discharge. Journal of The Electrochemical Society. 120 (7), 883-888 (1973).
- Katan, T., Szpak, S., Bennion, D. N. Silver/silver chloride electrodes: Surface morphology on charging and discharging. Journal of The Electrochemical Society. 121 (6), 757-764 (1974).
- Polk, B. J., Stelzenmuller, A., Mijares, G., MacCrehan, W., Gaitan, M. Ag/AgCl microelectrodes with improved stability for microfluidics. Sensors and Actuators B: Chemical. 114 (1), 239-247 (2006).
- Mechaour, S. S., Derardja, A., Oulmi, K., Deen, M. J. Effect of the wire diameter on the stability of micro-scale Ag/AgCl reference electrode. Journal of The Electrochemical Society. 164 (14), E560-E564 (2017).
- Brewer, P. J., Leese, R. J., Brown, R. J. C. An improved approach for fabricating Ag/AgCl reference electrodes. Electrochimica Acta. 71, 252-257 (2012).
- Safari, S., Selvaganapathy, P. R., Derardja, A., Deen, M. J. Electrochemical growth of high-aspect ratio nanostructured silver chloride on silver and its application to miniaturized reference electrodes. Nanotechnology. 22 (31), 315601 (2001).
- Tjon, K. C. E., Yuan, J. Impedance characterization of silver/silver chloride micro-electrodes for bio-sensing applications. Electrochimica Acta. 320, 134638 (2019).
- Pargar, F., Kolev, H., Koleva, D. A., van Breugel, K. Microstructure, surface chemistry and electrochemical response of Ag | AgCl sensors in alkaline media. Journal of Materials Science. 53 (10), 7527-7550 (2018).
- Hassel, A. W., Fushimi, K., Seo, M. An agar-based silver | silver chloride reference electrode for use in micro-electrochemistry. Electrochemistry communications. 1 (5), 180-183 (1999).
