Fabricage van dunne film zilver / zilverchloride elektroden met fijn gecontroleerde enkele laag zilverchloride
Summary
Dit document heeft tot doel een methode te presenteren om gladde en goed gecontroleerde films van zilverchloride (AgCl) te vormen met aangewezen dekking bovenop dunne filmzilverelektroden.
Abstract
Dit document heeft tot doel een protocol te presenteren om vloeiende en goed gecontroleerde films van zilver/zilverchloride (Ag/AgCl) te vormen met aangewezen dekking bovenop dunne filmzilverelektroden. Dunne film zilveren elektroden formaat 80 μm x 80 μm en 160 μm x 160 μm werden gesputterd op kwartswafers met een chroom /goud (Cr/Au) laag voor hechting. Na passivatie, polijsten en kathodische reinigingsprocessen ondergingen de elektroden galvanostatische oxidatie met inachtneming van Faraday’s Wet van Elektrolyse om gladde lagen van AgCl te vormen met een aangewezen mate van dekking bovenop de zilveren elektrode. Dit protocol wordt gevalideerd door inspectie van scanning elektronenmicroscoop (SEM) beelden van het oppervlak van de vervaardigde Ag / AgCl dunne film elektroden, die de functionaliteit en prestaties van het protocol benadrukt. Sub-optimaal vervaardigde elektroden worden ook vervaardigd voor vergelijking. Dit protocol kan op grote schaal worden gebruikt om Ag/AgCl-elektroden te fabriceren met specifieke impedantievereisten (bijvoorbeeld indringende elektroden voor impedantiestensingtoepassingen zoals impedantiestroomcytometrie en geinterdigiteerde elektrodearrays).
Introduction
De Ag/AgCl elektrode is een van de meest gebruikte elektroden op het gebied van elektrochemie. Het wordt meestal gebruikt als referentie-elektrode in elektrochemische systemen vanwege het fabricagegemak, niet-toxische eigenschap en stabiele elektrode potentieel1,2,3,4,5,6.
Onderzoekers hebben geprobeerd om het mechanisme van Ag / AgCl elektroden te begrijpen. De laagchloridezout op de elektrode blijkt een fundamenteel materiaal te zijn in de karakteristieke redoxreactie van de Ag/AgCl-elektrode in een chloride dat elektrolyt bevat. Voor het oxidatiepad combineert het zilver op de imperfectieplaatsen op het oppervlak van de elektrode met de chloride-ionen in de oplossing om oplosbare AgCl-complexen te vormen, waarin ze zich verspreiden naar de randen van de AgCl die op het oppervlak van de elektrode worden afgezet voor neerslag in de vorm van AgCl. Het reductiepad omvat de vorming van oplosbare AgCl-complexen met behulp van de AgCl op de elektrode. De complexen verspreiden zich naar het zilveren oppervlak en reduceren terug naar elementair zilver7,8.
De morfologie van de AgCl-laag is een spilinvloed in de fysieke eigenschap van Ag/AgCl-elektroden. Verschillende werken toonden aan dat het grote oppervlak van cruciaal belang is om referentie ag/AgCl elektroden te vormen met zeer reproduceerbare en stabiele elektrode potentialen9,10,11,12. Daarom hebben onderzoekers methoden onderzocht om Ag/AgCl-elektroden met een groot oppervlak te maken. Brewer et al. ontdekten dat het gebruik van constante spanning in plaats van constante stroom om Ag/AgCl-elektroden te fabriceren zou resulteren in een zeer poreuze AgCl-structuur, waardoor het oppervlak van de AgCl-laag11zou toenemen. Safari et al. profiteerde van het massatransport beperking effect tijdens agcl vorming op het oppervlak van zilveren elektroden te vormen AgCl nanosheets op de top van hen, het verhogen van het oppervlak van de AgCl laag aanzienlijk12.
Er is een stijgende trend om AgCl-elektrode te ontwerpen voor sensingtoepassingen. Een lage contactimpedantie is cruciaal voor het waarmaken van elektroden. Het is dus belangrijk om te begrijpen hoe de oppervlaktecoating van AgCl de impedantie-eigenschap zou beïnvloeden. Ons vorige onderzoek toonde aan dat de mate van AgCl-dekking op de zilveren elektrode een cruciale invloed heeft op de impedantie die kenmerkend is voor de elektrode/elektrolytinterface13. Echter, om de contactimpedantie van dunne film Ag/AgCl-elektroden correct te schatten, moet de gevormde AgCl-laag glad zijn en een goed gecontroleerde dekking hebben. Daarom is een methode nodig om vloeiende AgCl-lagen te vormen met de aangewezen mate van AgCl-dekking. Er zijn werkzaamheden verricht om deze behoefte gedeeltelijk aan te pakken. Brewer et al. en Pargar et al. bespraken dat een gladde AgCl kan worden bereikt met behulp van een zachte constante stroom, waardoor de AgCl-laag bovenop de zilveren elektrode11,14wordt vervaardigd . Katan et al. vormden een enkele laag AgCl op hun zilveren monsters en observeerde de grootte van individuele AgCl-deeltjes8. Hun onderzoek wees uit dat de dikte van een enkele laag AgCl ongeveer 350 nm is. Het doel van dit werk is het ontwikkelen van een protocol om fijne en goed gecontroleerde films van AgCl te vormen met voorspelde impedantie-eigenschappen bovenop zilveren elektroden.
Protocol
Representative Results
Discussion
De fysische eigenschappen van een Ag/AgCl elektrode worden gecontroleerd door de morfologie en de structuur van de AgCl die op de elektrode wordt afgezet. In dit artikel presenteerden we een protocol om de dekking van een enkele laag AgCl op het oppervlak van de zilveren elektrode nauwkeurig te regelen. Een integraal onderdeel van het protocol is een gewijzigde vorm van de Faraday’s Wet van Elektrolyse, die wordt gebruikt om de mate van AgCl op de dunne film zilveren elektroden controle. Het kan worden geschreven als:</p…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door een subsidie van het RGC-NSFC Joint Fund gesponsord door de Research Grants Council of Hong Kong (Project No. N_HKUST615/14). We willen graag Nanosystem Fabrication Facility (NFF) van HKUST erkennen voor de fabricage van het apparaat/systeem.
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).
