现代理化分析技术电沉积.doc

《现代理化分析技术》读书报告 现代理化分析技术在电沉积方面的应用 自开学以来，我们在相炳坤老师的悉心教导下，学习了各种现代分析方法，结合自己的科研实际，现简述现代理化分析技术在电沉积方面的应用。 自从十九世纪初第一次用电解方法沉积出金属之后，金属电沉积很快就作为一种工艺投入实际应用，在五十年代以后，由于电化学理论和晶体生长理论的迅速发展，以及各种电化学实验方法和现代结构分析工具的相继出现，金属电沉积基础研究工作才得到较快的发展。八十年代后，各种新技术的发展亟待需要具有各种特殊性能的高质量镀层，这也对工件的物理化学性能检测提出了更高的要求。金属电沉积的手段基本上可以分为两大类，即电化学方法和表面层观测方法。电化学方法主要用于研究电沉积过程的机理和动力学，而表面层观测方法主要用于研究沉积层的组织结构。 按照被控制的电参量得不通，电化学测试方法可分为恒电位法、恒电流法和恒库仑法，它们可用来测定金属电沉积过程的有关参数并借此推断出其可能的机理。但在某些场合下，根据电化学参数分析得出的结论常需要其他物理手段来进一步验证。况且，金属电沉积层得鉴定，如沉积层的结构、外延程度、精力大小、形态与组织相对于基体的取向等测只能用非电化学测试方法。这些方法中应用较广的包括传统的光学显微术、椭圆术、光反射法和属于现代理化分析技术范畴的X射线衍射法、电子显微术和电子能谱等，联系到课程所学，先主要从后三种分别介绍。 X射线是电沉积层结构分析的最有效工具。其基本原理如下：X射线是一种电磁波，物质被X射线照射时，物质中的电子将在这种周期变化电场的激发下，发生周期振荡，其频率与入射的X射线相同。此时每一个电子就成为新的X射线发射源，产生一种以电子为中心的X射线球面波，它携带着入射的X射线的能量向四周传播（此种效应称为电子对X射线的散射作用，显然，散射的X射线与入射的X射线具有相同的频率或波长）。产生的球面波在符合Bragg方程2dsinθ=nλ的条件下发生正干涉，因而构成了衍射图，衍射点或衍射线的位置和强度是物质的特征物理属性，于是通过它可对物质的组成和结构进行完整的分析。在电沉积研究中，X射线衍射法主要用于晶体与无定形电沉积物的测定，单晶的定向，电沉积物中物相的鉴别及相对比例的测定，电沉积晶体的晶格常数的测定，研究电沉积层的结构、缺陷、应力状态和晶粒的大小等等。此外，还可用于非破坏性的镀层厚度的测试。在合金电沉积研究中，X射线衍射法被广泛应用于确定镀层中的相，如Sadana研究In-Ni合金沉积时发现在此种合金相图中的五种相只有三种出现在电沉积层中。 电子显微分析，是利用高能电子束与物体的表面相互作用而获取微区信息的技术与科学。电子显微镜是以波长极短的电子波作为照明源，以电磁透镜聚焦成像的电子光学仪器。电子显微镜因成像方式不同又分为透射电子显微镜和扫描电子显微镜。透射电镜可得到一幅人眼可观察的，反映样品微区厚度、平均原子序数、晶体结构或位向等不同信息的，具有一定衬度的高分辨率、高放大倍数的透射电子像，再将其记录在电子感光胶片上或计算机内，成为永久的图像，显然这是观察电沉积初期微晶的形态、缺陷等的有效工具。Albert,Schneider和Fisher首次应用透射电镜的聚焦成像技术直接观察金属镀层的有机物夹层。Nakahara和Weil应用暗场技术直接观察在铜基体上的Ni镀层在电沉积初期生成的三维外延微晶。透射电镜也应用于镀层表面形貌的观察，现在发展出的的一种在分子级水平显露表面特征的新技术，已应用于观察镀层表面的生长。扫描电镜是在高真空条件下进行操作的，它由三个主要部分组成：电子束的产生和集束系统；信号的检出和放大系统；显示或记录系统。式样表面受到电子束轰击就产生了至少五种可利用的信息：二次电子、背散射电子、式样电流、荧光和特征X射线，每一种信息都配有检出-放大系统和显示-记录系统，因此可用来作放大和元素分析。在电沉积研究中扫描电镜的应用实例有如研究Ni复合镀层的结构和形貌与添加的分散颗粒性质的关系，研究在接近工业生产条件下电沉积铜粉的尺寸形貌，研究在电冶炼工艺中在高电流密度下从ZnCl2溶液中电沉积锌的结构、形态与添加剂的关系，观察从锌酸盐中电沉积锌的形态。此外，电子探针的原理与扫描电镜类似，也可用来应用于电沉积层的分析。 电子能谱，特别是X光电子能谱（XPS）和Auger电子能谱（AES）是研究表面组成的有用技术，已被用来检测金属或合金的表面玷污、表面吸附、合金的表面组成与富集现象、表面膜组成与厚度以及表面腐蚀层的组成等等。当样品表面被X射线或电子束轰击时，若入射光子或电子的能量足够大，样品中原子的内壳电子可被光子或电子轰击走，使该原子电离成激发态离子（电子发射），随后，同一个原子的一个外壳电子充填上述产生的内壳层空位，同时发射X射