电化学法沉积金属薄膜和镀膜(中文译版)

Rapid electroplanting of insulators
电化学法沉积金属薄膜和镀膜有着很长的历史。

这些技术大体分为两类，各有各的优点和缺点。

第一种，也是最古老的一种，就是利用自发氧化还原反应来从溶液中沉积金属。

这种沉积方法不仅可在金属基片上沉积，还可以在绝缘基片上沉积。

但这种方法的沉积条件很难控制在原位沉积。

一部分原因在于溶液中存在多种盐类和添加剂。

第二种方法----电镀术---利用电流来降低溶液中的金属离子含量，并给出了控制沉积金属的质量（还在某种程度上控制了颗粒大小）。

但这种技术的应用至今仍被局限于导电基片。

我们将在这篇文章里描述可在不导电基片上实施的电镀技术，并能控制沉积金属的颗粒大小、厚度和生长速率。

我们这种方法的基础是从与基片相连的电极上逐步向外生长金属，它的晶格形貌由生长着的沉积金属的电流的减小所控制。

这种方法一般会形成树状、粉末状的沉积物，但我们指出了一系列快速生长均一薄膜的方法。

这里我们描述了一系列电化学晶格和一些可以用电沉积的方式在绝缘基片表面沉积金属膜层的方法。

这种方式使得控制沉积磨蹭的晶粒尺寸。

这种方法是建立在最近非平衡物理的基础上的。

它使得生长均一薄膜成为可能，这也是电化学生长的基本要求。

用电沉积法沉积金属是在低电流密度下生长致密的金属。

所以，当沉积电流提升时，沉积（随着电流功率的提高以及平衡和颗粒修复的缺失）变得粗糙，乃至变成树状或粉末状。

这在工业上是一个制约因素。

非平衡态物理学更多注重了同一性：即生长模式。

比如，二元电解液的电化学生长就被研究了15年。

由Chazlviel提出的新理论正确预言了二元电解液在树状沉积物周围的生长速率、沉积速率以及浓度场。

这种理论预测了大电场的存在下在沉积物的顶端存在正比于离子浓度降低速率的连续生长模式。

我们在自由流动的（大概是指溶液吧）、接近二维的树状沉积物的情况下验证了这些预测，这份工作由M.e.a独立发现。

但这些实验存在一个问题：沉积物不能从电池里被取出。

这就是为什么我们中的一个人提出了一种新的沉积树状物的方法（由C.e.a提供的模型提出）。

（公式推导看不懂，略）
（图一）
现在我们公布这种装置使得连续沉积镀膜得以实现（薄膜的生长特征相同，包括厚度和生
长速率）。

这里存在一个条件窗口，粉末沉积的范围（在这个范围内可以沉积出镀膜）。

这将引出一种新的镀金属膜层的工艺，使得在绝缘基底上镀膜得以实现。

另外，这项技术的沉积速率很快，镀膜效率达到每秒几百微米，比树状区域快得多。

因此，我们认为每小时大约能沉积一米。

实验装置如图一所示。

这个装置的关键点在于在样品表面的一端与之相连的阴极开始沉积。

然后，金属薄膜就逐渐侵入到了整个表面，知道表面全部铺满金属镀层。

薄膜浸润到整个表面，并和它牢固地结合。

因为不断扩展的金属薄膜充当了阴极的角色，使得薄膜得以不断生长，因此这项技术使得我们得以用电镀来给绝缘体镀膜。

如果电流密度太小，生长出的薄膜就会变为树状。

但是，当电流超过临界电流后，生长出的薄膜就是均一的了，并在几百微米的长度、厘米的宽度的尺寸内，生长边缘都可以视为平整的。

对于银、铜和锡来说，临界电流密度是10mAcm-2。

（图二）
（图三）
（图四）
但即使在这种覆盖的模式下，薄膜生长的前沿还是因波动而不稳定。

我们都知道薄的电池中会有重力流。

这些重力流可以做数值分析。

模型和实验显示波动效应可以通过垂直生长来减小。

因此，我们做了向下的垂直生长。

在这个方向上，前段的稳定性提高到了2厘米宽。

我们还准备了一个中间有直径为1mm毛细管的圆柱形电池，并在里面放入了直径为100um
的玻璃光纤。

放入的光纤表面没有涂上导电层。

然后只在光纤的一段镀上银漆作为阴极。

在电池的另一端，我们用银线作为阳极。

电池溶液为0.05M的硝酸银溶液。

结果我们又一次快速在光纤表面完全镀上了银。

通过光纤的电流为160uA，电流密度为20uACm-2。

这种方法同样可以在玻璃表面以及未加工的聚四氟乙烯表面镀铜，用的溶液为氯化铜或硫酸铜（0.01-0.15M）。

我们还用锡测试了这种方法，也获得了同样形貌的锡薄膜（只不过由于产生氢气的影响，它的电流受到更多限制）并且，和铜、银不同，锡在主沉积之前会先在表面形成一层极薄的膜。

在极低的电流密度下，我们可以只沉积这层极薄的锡膜：只有5nm 厚（见图4），他的形貌就像以颗粒为边缘的地毯。

虽然如图4所示，我们可以获得理论预测的200nm的铜膜和300nm的锡膜，5nm的薄膜就很薄了。

我们希望这项技术可以用于仍何已知可以在粉末区域沉积，以圆形方式沉积的金属。

我们对与这种效应的解释是这样的：
首先，在使用二元电解液的薄电池中，沉积物的表面产生了强电场。

这种强电场导致多晶沉积物的产生。

由于实验显示划痕处这种生长要快得多，显然玻璃的悬挂键在大电场下有催化效应。

我们正在思考为什么强电流下沉积物会覆盖整个表面。

如图2所示，这种令人吃惊的稳定性不是由样品尺寸下沉积尺寸的增大引起的（各别颗粒还因此变小了）。

这证明当生长速率提高时，每个个体的大小降低了（与理论预测结果一致）但颗粒的一般大小（讲公式的，不懂。

）当λ（颗粒尺寸）变小时，不稳定性也不会发生，生长前段稳定。

光纤、带和感光底片的镀膜也成为可能。

这种技术可用于很多方面，比如减小电子工业的气相成核，裁剪不寻常的金属镜面和形貌，还有直接在有机材料表面镀膜。

总而言之，这项技术可以在任何时候应用，也能使用多种盐类，即使在不加添加剂的情况下。

但值得注意的是：由于
沉积过程是从样品的一端向另一端进行，这项技术总的生产效率会比现有的非电镀技术要小得多。

（最后一段总结略）。