Summary

Изготовление тонкопленочных серебряных/серебряных хлоридных электродов с мелко контролируемым однослойным хлоридом серебра

Published: July 01, 2020
doi:

Summary

Эта статья призвана представить метод формирования гладких и хорошо контролируемых пленок хлорида серебра (AgCl) с обозначенным покрытием поверх тонкопленочных серебряных электродов.

Abstract

Эта статья призвана представить протокол для формирования гладких и хорошо контролируемых пленок хлорида серебра/серебра (Ag/AgCl) с обозначенным покрытием поверх тонкопленочных серебряных электродов. Тонкие пленочных серебряных электродов размером 80 мкм х 80 мкм и 160 мкм х 160 мкм были распылены на кварцевых пластинах с хромом /золото (Cr/Au) слой для слипания. После пассивации, полировки и катодных процессов очистки, электроды прошли гальваностатического окисления с учетом закона Фарадея электролиза, чтобы сформировать гладкие слои AgCl с определенной степенью покрытия на вершине серебряного электрода. Этот протокол подтверждается инспекцией сканирующих электронных микроскопов (SEM) изображений поверхности изготовленных тонкопленочных электродов Ag/AgCl, что подчеркивает функциональность и производительность протокола. Для сравнения также изготавливаются субоптимально изготовленные электроды. Этот протокол может быть широко использован для изготовления электродов Ag/AgCl с особыми требованиями к препятствованию (например, зондирующие электроды для применения зондирования, такие как цитометрия цитометрии потока и межгитимные электродные массивы).

Introduction

Электрод Ag/AgCl является одним из наиболее часто используемых электродов в области электрохимии. Он наиболее часто используется в качестве эталонного электрода в электрохимических системах из-за его простоты изготовления, нетоксичного свойства и стабильного электродного потенциала1,,2,,3,,4,,5,,6.

Исследователи попытались понять механизм электродов Ag/AgCl. Слой соли хлорида на электроде был признан фундаментальным материалом в характерной реакции редокса электрода Ag/AgCl в хлориде, содержащем электролит. Для пути окисления, серебро на несовершенстве сайтов на поверхности электрода сочетается с ионами хлорида в растворе для формирования растворимых комплексов AgCl, в которых они диффундируются по краям AgCl, отложенные на поверхности электрода для осадков в виде AgCl. Путь сокращения включает в себя образование растворимых комплексов AgCl с использованием AgCl на электроде. Комплексы рассеиваются на поверхности серебра и возвращаются к элементарному серебру7,,8.

Морфология слоя AgCl является ключевым влиянием на физическое свойство электродов Ag/AgCl. Различные работы показали, что большая площадь поверхности является ключом к форме ссылки Ag/AgCl электродов с высоко воспроизводить и стабильные электродные потенциалы9,10,11,12. Поэтому исследователи исследовали методы создания электродов Ag/AgCl с большой площадью поверхности. Brewer et al. обнаружил, что использование постоянного напряжения вместо постоянного тока для изготовления электродов Ag/AgCl приведет к высокой пористой структуре AgCl, увеличивая площадь поверхности слоя AgCl11. Safari et al. воспользовался эффектом ограничения массового транспорта во время формирования AgCl на поверхности серебряных электродов, чтобы сформировать нанолисты AgCl поверх них, значительно увеличив площадь поверхности слоя AgCl на12.

Существует растущая тенденция к разработке AgCl электрод для зондирования приложений. Низкий контакт impedance имеет решающее значение для зондирования электродов. Таким образом, важно понять, как поверхностное покрытие AgCl повлияет на его недвижимое свойство. Наши предыдущие исследования показали, что степень покрытия AgCl на серебряном электроде оказывает ключевое влияние на характерную характеристику электрода/электролита13. Однако, чтобы правильно оценить контактную направленность тонкопленочных электродов Ag/AgCl, сформированный слой AgCl должен быть гладким и иметь хорошо контролируемый охват. Поэтому необходим метод формирования гладких слоев AgCl с обозначенными степенями покрытия AgCl. Были проведены работы по частичному удовлетворению этой потребности. Brewer et al. и Pargar et al. обсудили, что гладкая AgCl может быть достигнута с помощью нежного постоянного тока, изготовляя слой AgCl поверх серебряного электрода11,14. Katan et al. сформировали единый слой AgCl на их образцах серебра и наблюдали размер отдельных частиц AgCl8. Их исследования показали, что толщина одного слоя AgCl составляет около 350 нм. Целью этой работы является разработка протокола для формирования тонких и хорошо контролируемых пленок AgCl с прогнозируемыми свойствами на неправомерных приборов поверх серебряных электродов.

Protocol

1. Изготовление слоя сцепления Cr/Au с помощью старта Spincoat HPR504 положительный фотореалист толщиной 1,2 мкм на кварцевую с использованием скорости распространения 1000 об/мин на 5 с и скорость вращения 4000 об/мин на 30 с. Софтbake фотореалист на кварцевой пластине при 110 градусов по Цельси…

Representative Results

На рисунке 1 показан электрод Ag/AgCl с 50% изготовленным в соответствии с этим протоколом 80 мкм х х 80 мкм м. По наблюдениям, площадь патча AgCl составляет около 68 мкм х 52 мкм, что соответствует примерно 55% покрытия AgCl. Это показывает, что протокол может тонко кон?…

Discussion

Физические свойства электрода Ag/AgCl контролируются морфологией и структурой AgCl, отложенной на электроде. В этой работе мы представили протокол точного контроля покрытия одного слоя AgCl на поверхности серебряного электрода. Неотъемлемой частью протокола является модифицированная форм?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Эта работа была поддержана грантом Объединенного фонда РГС-НСФК, финансируемым Советом по научно-исследовательским грантам Гонконга (проект No N_HKUST615/14). Мы хотели бы отметить Nanosystem Изготовление фонда (NFF) HKUST для устройства / системы изготовления.

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

  1. Bakker, E., Telting-Diaz, M. Electrochemical sensors. Analytical Chemistry. 74 (12), 2781-2800 (2002).
  2. Jobst, G., et al. Thin-Film Microbiosensors for Glucose-Lactate Monitoring. Analytical Chemistry. 68 (18), 3173-3179 (1996).
  3. 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).
  4. 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).
  5. Ives, D. J. G., Janz, G. J. . Reference Electrodes – theory and practice. , (1961).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. Tjon, K. C. E., Yuan, J. Impedance characterization of silver/silver chloride micro-electrodes for bio-sensing applications. Electrochimica Acta. 320, 134638 (2019).
  14. 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).
  15. 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).
check_url/kr/60820?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Tjon, K. C. E., Yuan, J. Fabrication of Thin Film Silver/Silver Chloride Electrodes with Finely Controlled Single Layer Silver Chloride. J. Vis. Exp. (161), e60820, doi:10.3791/60820 (2020).

View Video