Fabrikasjon av tynnfilm sølv/sølvkloridelektroder med finstyrt enkeltlags sølvklorid
Summary
Dette papiret tar sikte på å presentere en metode for å danne glatte og velkontrollerte filmer av sølvklorid (AgCl) med utpekt dekning på toppen av tynnfilm sølv elektroder.
Abstract
Dette papiret tar sikte på å presentere en protokoll for å danne glatte og velkontrollerte filmer av sølv / sølv klorid (Ag / AgCl) med utpekt dekning på toppen av tynnfilm sølv elektroder. Tynn film sølv elektroder størrelse 80 μm x 80 μm og 160 μm x 160 μm ble sputtered på kvarts wafers med et krom / gull (Cr / Au) lag for vedheft. Etter passivisering, polering og cathodisk rengjøringsprosesser gjennomgikk elektrodene galvanisert oksidasjon med hensyn til Faraamis lov om elektrolyse for å danne glatte lag av AgCl med en bestemt grad av dekning på toppen av sølvelektroden. Denne protokollen er validert ved inspeksjon av skanning elektronmikroskop (SEM) bilder av overflaten av de fabrikkerte Ag / AgCl tynnfilm elektroder, som fremhever funksjonaliteten og ytelsen til protokollen. Sub-optimalt fabrikkerte elektroder er fabrikkert også for sammenligning. Denne protokollen kan brukes til å fremstille Ag/AgCl-elektroder med spesifikke impedanskrav (f.eks. sondering av elektroder for impedansen sensing applikasjoner som impedans flow cytometri og interdigiterte elektrodearrayer).
Introduction
Ag/AgCl-elektroden er en av de mest brukte elektrodene innen elektrokjemi. Det er mest brukt som referanseelektrode i elektrokjemiske systemer på grunn av sin enkle fabrikasjon, giftfri egenskap og stabilt elektrodepotensial1,,2,,3,,4,5,6.
Forskere har forsøkt å forstå mekanismen til Ag / AgCl elektroder. Laget av kloridsalt på elektroden har vist seg å være et grunnleggende materiale i den karakteristiske redoksreaksjonen til Ag/AgCl-elektroden i et klorid som inneholder elektrolytt. For oksidasjonsbanen kombinerer sølvet på ufullkommenhetene på overflaten av elektroden med kloridionene i løsningen for å danne løselige AgCl-komplekser, der de sprer seg til kantene av AgCl avsatt på overflaten av elektroden for nedbør i form av AgCl. Reduksjonsbanen innebærer dannelsen av løselige AgCl-komplekser ved hjelp av AgCl på elektroden. Kompleksene diffuse til sølvoverflaten og reduserer tilbake til elementær sølv7,8.
Morfologien til AgCl-laget er en avgjørende innflytelse i den fysiske egenskapen til Ag/AgCl-elektroder. Ulike arbeider viste at det store overflatearealet er nøkkelen til å danne referanse Ag / AgCl elektroder med svært reproduserbare og stabile elektrode potensialer9,10,11,12. Derfor har forskere undersøkt metoder for å lage Ag / AgCl elektroder med et stort overflateareal. Brewer et al. oppdaget at bruk av konstant spenning i stedet for konstant strøm for å fremstille Ag / AgCl elektroder ville resultere i en svært porøs AgCl struktur, øke overflatearealet av AgCl laget11. Safari et al. utnyttet massetransportbegrensningseffekten under AgCl-dannelsen på overflaten av sølvelektroder for å danne AgCl nanosheets på toppen av dem, noe som økte overflatearealet til AgCl-laget betydelig12.
Det er en stigende trend å designe AgCl elektrode for sensing applikasjoner. En lav kontakt impedans er avgjørende for å føle elektroder. Dermed er det viktig å forstå hvordan overflatebelegget av AgCl vil påvirke dens impedans eiendom. Vår tidligere forskning viste at graden av AgCl-dekning på sølvelektroden har en avgjørende innflytelse på impedansen som er karakteristisk for elektrode- / elektrolyttgrensesnittet13. Men for å riktig anslå kontaktimedansen til tynnfilm Ag / AgCl elektroder, må AgCl-laget som dannes være glatt og ha godt kontrollert dekning. Derfor er det nødvendig med en metode for å danne jevne AgCl-lag med angitte grader av AgCl-dekning. Det er gjort verk for å håndtere dette behovet delvis. Brewer et al. og Pargar et al. diskuterte at en jevn AgCl kan oppnås ved hjelp av en mild konstant strøm, som tilsvarer AgCl-laget på toppen av sølvelektroden11,,14. Katan et al. dannet et enkelt lag av AgCl på sine sølvprøver og observerte størrelsen på individuelle AgCl partikler8. Deres forskning fant at tykkelsen på et enkelt lag av AgCl er rundt 350 nm. Målet med dette arbeidet er å utvikle en protokoll for å danne fine og velkontrollerte filmer av AgCl med spådde impedansegenskaper på toppen av sølvelektroder.
Protocol
Representative Results
Discussion
De fysiske egenskapene til en Ag/AgCl-elektrode styres av morfologien og strukturen til AgCl deponert på elektroden. I dette papiret presenterte vi en protokoll for å nøyaktig kontrollere dekningen av et enkelt lag av AgCl på overflaten av sølvelektroden. En integrert del av protokollen er en modifisert form av Farays lov om elektrolyse, som brukes til å kontrollere graden av AgCl på tynnfilm sølv elektroder. Det kan skrives som:
<img alt="Equation" src="/files/ftp_upload/60820/60820eq…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble støttet av et tilskudd fra RGC-NSFC Joint Fund sponset av Research Grants Council of Hong Kong (Project No. N_HKUST615/14). Vi ønsker å anerkjenne Nanosystem Fabrication Facility (NFF) av HKUST for enheten / systemfabrikasjonen.
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).
