Tillverkning av tunnfilm silver / silverklorid elektroder med fint kontrollerade enda lager silverklorid
Summary
Detta dokument syftar till att presentera en metod för att bilda släta och välkontrollerade filmer av silverklorid (AgCl) med utsedda täckning ovanpå tunnfilm silver elektroder.
Abstract
Detta dokument syftar till att presentera ett protokoll för att bilda smidig och välkontrollerad filmer av silver / silverklorid (Ag / AgCl) med utsedda täckning ovanpå tunnfilm silver elektroder. Tunnfilms silverelektroder storlek 80 μm x 80 μm och 160 μm x 160 μm var sputtered på kvarts rån med ett krom /guld (Cr / Au) lager för vidhäftning. Efter passivisering, polering och katodiska rengöringsprocesser genomgick elektroderna galvanostatisk oxidation med hänsyn till Faradays elektrolys lag för att bilda släta lager av AgCl med en angiven grad av täckning ovanpå silverelektroden. Detta protokoll valideras genom inspektion av scanning elektronmikroskop (SEM) bilder av ytan av den tillverkade Ag / AgCl tunnfilm elektroder, som belyser funktionalitet och prestanda av protokollet. Sub-optimalt fabricerade elektroder tillverkas också för jämförelse. Detta protokoll kan användas i stor utsträckning för att tillverka Ag / AgCl elektroder med specifika impedanskrav (t.ex. sondering elektroder för impedans avkänning applikationer som impedans flöde cytometri och interdigitated elektrod arrayer).
Introduction
Ag/AgCl-elektroden är en av de mest använda elektroderna inom elektrokemi. Det används oftast som referenselektrod i elektrokemiska system på grund av dess enkel tillverkning, giftfri egenskap och stabil elektrodpotential1,,2,,3,4,5,6.
Forskare har försökt att förstå mekanismen för Ag / AgCl elektroder. Lagret av kloridsalt på elektroden har visat sig vara ett grundläggande material i den karakteristiska redoxreaktionen hos Elektroden Ag/AgCl i en klorid som innehåller elektrolyt. För oxidationsbanan kombineras silvret vid ojämnhetsplatserna på elektrodens yta med kloridjonerna i lösningen för att bilda lösliga AgCl-komplex, där de sprider sig till AgCls kanter som deponeras på elektrodens yta för nederbörd i form av AgCl. Reduktionsvägen innebär bildandet av lösliga AgCl-komplex med hjälp av AgCl på elektroden. Komplexen sprids till silverytan och reducerar tillbaka till elementärt silver7,8.
AgCl-skiktets morfologi är en central inverkan på ag/agcl-elektrodernas fysiska egenskap. Olika verk visade att den stora ytan är nyckeln till att bilda referens Ag / AgCl elektroder med mycket reproducerbara och stabila elektrod potentialer9,10,11,12. Därför har forskare undersökt metoder för att skapa Ag/AgCl-elektroder med en stor yta. Brewer et al. upptäckte att använda konstant spänning i stället för konstant ström för att tillverka Ag / AgCl elektroder skulle resultera i en mycket porös AgCl struktur, öka ytan av AgCl lager11. Safari et al. drog nytta av masstransport begränsning effekt under AgCl bildas på ytan av silver elektroder att bilda AgCl nanoblad ovanpå dem, öka ytan av AgCl lagret betydligt12.
Det finns en stigande trend att designa AgCl elektrod för avkänning applikationer. En låg kontakt impedans är avgörande för avkänning elektroder. Därför är det viktigt att förstå hur ytbeläggningen av AgCl skulle påverka dess impedansegenskap. Vår tidigare forskning visade att graden av AgCl täckning på silver elektroden har en central inverkan på impedans kännetecknande för elektrod / elektrolyt gränssnitt13. För att korrekt uppskatta kontaktimpedansen hos tunnfilmen Ag/AgCl-elektroder måste agcl-lagret vara smidigt och ha välkontrollerad täckning. Därför behövs en metod för att bilda jämna AgCl-lager med angivna grader av AgCl-täckning. Arbeten har gjorts för att åtgärda detta behov delvis. Brewer et al. och Pargar et al. diskuterade att en smidig AgCl kan uppnås med hjälp av en mild konstant ström, fabricera AgCl lagret ovanpå silver elektroden11,14. Katan et al. bildade ett enda lager AgCl på sina silverprover och observerade storleken på enskilda AgCl-partiklar8. Deras forskning fann att tjockleken på ett enda lager av AgCl är runt 350 nm. Syftet med detta arbete är att utveckla ett protokoll för att bilda fina och välkontrollerade filmer av AgCl med förutspådde impedansegenskaper ovanpå silverelektroder.
Protocol
Representative Results
Discussion
De fysiska egenskaperna hos en Ag/AgCl-elektrod styrs av morfologin och strukturen hos den AgCl som deponeras på elektroden. I detta dokument presenterade vi ett protokoll för att exakt kontrollera täckningen av ett enda lager av AgCl på ytan av silverelektroden. En integrerad del av protokollet är en modifierad form av Faradays lagen om elektrolys, som används för att kontrollera graden av AgCl på tunnfilmen silver elektroder. Det kan skrivas som:
<img alt="Equation" src="/files/ftp_u…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av ett bidrag från RGC-NSFC:s gemensamma fond som sponsrades av Forskningsbidragsrådet i Hong Kong (projekt nr N_HKUST615/14). Vi vill bekräfta Nanosystem Fabrication Facility (NFF) av HKUST för enheten / systemtillverkning.
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).
