离子液体电沉积金属单质的方法技术

一种离子液体电沉积金属单质的方法，属于材料技术领域。所述方法为：一、量取所需量的离子液体和铜、铟或镓离子置于电解槽中，在25～80℃匀速搅拌至源物质完全溶解，得到澄清透明的电解液。二、采用恒电流或恒电压的电沉积方法，在工作电极的基材表面电沉积铜、铟或镓金属单质，控制温度为25～150℃，沉积时间为0.5～4h。本发明专利技术首次在咪唑类离子液体中电沉积制备铜、铟或镓金属单质沉积层。该方法无毒环保，操作简单安全，可重现性好。电解液具有优异的分散能力和覆盖能力，并且在很宽的电流密度范围内和电位范围均能得到具有良好性能的沉积层，所获沉积层结晶细密，外观平整光亮。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于材料
，涉及一种离子液体电沉积铜、铟、镓金属单质的方法。
技术介绍
铜是最常见的电镀金属之一。镀铜层是极好的打底镀层，广泛用于工程和装饰性领域，主要用于塑料、印刷线路板、锌压铸件、汽车保险杠、印刷机滚轴、电解提纯和电铸，在半导体连接工艺中在铝上镀铜起到重要作用。目前在众多的电镀铜体系中，仅碱性氰化物、焦磷酸盐、硫酸盐和氟硼酸盐体系具有工业价值，其他体系溶液不稳定，在有效的电流密度范围内得不到合格的镀层。但这些可用于工业生产的电镀铜体系或多或少也存在一些缺陷，比如碱性氰化物体系有剧毒，对环境有严重的危害，操作安全和废水处理都很难解决的问题，并且目前有被取代的趋势；硫酸盐和氟硼酸盐体系具有较强的酸性，对生产设备有较强的腐蚀性。镓是一种柔软的银白色金属，被广泛应用于光电子（如LED灯）、非线性和量子光学、第三四族半导体产品等领域，另外在合金、计算机和DVD等方面也有应用。由于镓在第三四族半导体产品中的大量应用，严格控制其沉积结构是非常必要的，而电沉积通常被用于制备具有薄层、分散和纳米结构特性的材料，尤其是过渡金属和半导体化合物。镓通常作为铝锌工业的副产品被提取出来。由于水溶液中的大量析氢导致很低的电流效率和不均匀的电沉积层，在水溶液体系中电沉积镓不适于工业生产。金属铟主要用于制造低熔合金、轴承合金、半导体、电光源等的原料，目前关于水溶液中电沉积铟的报道还非常少，离子液体电沉积铟的报道主要见于与含铟的半导体材料有关的文章中。另外，铜铟镓硒合金是最有前景的薄膜太阳能电池吸收层材料之一。电沉积制备的铜、铟和镓单金属可以作为铜铟镓硒薄膜太阳能电池的前驱材料。目前制备铜铟镓硒薄膜太阳能电池吸收层的方法都非常昂贵，电沉积是一种低成本高效率的方法。由于具有很好的化学和热学稳定性，几乎可以忽略的蒸气压，良好的导电性以及很宽的电化学窗口等优良的电化学特性，离子液体可以被用作电沉积电解液的溶剂，电沉积制备出具有优良性能的铜、镓、铟等金属。离子液体电解液体系具有化学和热稳定性好、不挥发、操作安全等特点，可获得细晶致密、结构易控制的金属沉积层。  
技术实现思路
本专利技术提供了一种采用离子液体作为溶剂电沉积制备铜、铟、镓金属单质的方法，可在基材表面得到光亮一致、细密平整、晶粒细小的沉积层，电解液简单稳定，操作和维护方便安全，解决了水溶液体系制备铜、铟、镓金属单质电解液不稳定、工艺流程复杂等问题。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种离子液体电沉积金属单质的方法，具体步骤如下：一、量取所需量的离子液体和金属源物质（铜、铟或镓离子）置于电解槽中，在25~80℃匀速搅拌至源物质完全溶解，得到澄清透明的电解液。本步骤中，所述的电解液的配制过程中，若在25℃下，最好密闭搅拌，若在80℃下可在敞开环境下搅拌。本步骤中，所述的离子液体为咪唑类离子液体，从以1 – 烷基 – 3 – 甲基咪唑为阳离子的离子液体中选择，包括1 – 烷基 – 3 – 甲基咪唑硝酸盐、1 – 烷基 – 3 – 甲基咪唑甲磺酸盐、1 – 烷基 – 3 – 甲基咪唑硫酸二甲酯、1 – 烷基 – 3 – 甲基咪唑三氟醋酸盐、1 – 烷基 – 3 – 甲基咪唑醋酸盐、1 – 烷基 – 3 – 甲基咪唑苯酸盐、1 – 烷基 – 3 – 甲基咪唑糖精、1 – 烷基 – 3 – 甲基咪唑二氰胺、1 – 烷基 – 3 – 甲基咪唑三氟甲磺酸盐和1 – 烷基 – 3 – 甲基咪唑六氟磷酸盐等，优先选择1 – 丁基 – 3 – 甲基咪唑三氟甲磺酸盐或1 – 丁基 – 3 – 甲基咪唑六氟磷酸盐。本步骤中，所述的铜、铟、镓离子的源物质为铜、铟、镓离子的氯化物、硝酸盐或硫酸盐，所有源物质的浓度范围为从5 mmol/L到其溶解度极限值，优先选择浓度范围为10 ~ 100 mmol/L。二、采用恒电流或恒电压的电沉积方法，在工作电极的基材表面电沉积铜、铟或镓金属单质，控制温度为25~150℃，沉积时间为0.5~4 h。本步骤中，所述的恒流电沉积以惰性阳极或者恒流电沉积铜时以金属铜阳极为对电极、恒流电沉积镓时以金属镓阳极为对电极、恒流电沉积铟时以金属铟阳极为对电极。本步骤中，所述的恒压电沉积用三电极电解槽，其中以铂或银为参比电极，惰性阳极或者恒压电沉积铜时以金属铜阳极为对电极、恒压电沉积镓时以金属镓阳极为对电极、恒压电沉积铟时以金属铟阳极为对电极。本步骤中，所述的恒流电沉积方法包含下列两步：一、将基材表面、阳极电极置于电解液中；二、在基材表面和阳极间施加的恒电流，开始电沉积。本步骤中，所述的恒压电沉积方法包含下列两步：一、将基材表面、阳极和参比电极置于电解液中；二、在基材表面和参比电极间施加恒电压，开始电沉积。本步骤中，所述的恒电流电沉积时的电流密度为0.05~4 A/dm2，恒电压电沉积时的电压为-1~-2.2 V vs. Pt。本步骤中，所述的恒电压电沉积铜时的电压为-1~-2.2 V vs. Pt，恒电压电沉积镓时的电压范围为-1.8~-2.2 V vs. Pt，恒电压电沉积铟时的电压范围为-1.6~-2.2 V vs. Pt。本专利技术首次在咪唑类离子液体中电沉积制备铜、铟或镓金属单质沉积层。该方法无毒环保，操作简单安全，可重现性好。电解液具有优异的分散能力和覆盖能力，并且在很宽的电流密度范围内和电位范围均能得到具有良好性能的沉积层，所获沉积层结晶细密，外观平整光亮。附图说明图1是具体实施方式一中恒电位条件下在钼基体上的得到的铜镀层的微观形貌SEM测试图；图2是具体实施方式二中恒电位条件下在钼基体上的得到的镓镀层的微观形貌SEM测试图；图3是具体实施方式三中恒电位条件下在钼基体上的得到的铟镀层的微观形貌SEM测试图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本专利技术技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本专利技术技术方案的精神和范围，均应涵盖在本专利技术的保护范围中。具体实施方式一：本实施方式提供了一种从离子液体电解液中电沉积制备铜单质沉积层的方法，具体操作步骤如下：一、配制电解液：量取一定量的1-丁基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐离子液体，在烘干箱里烘24小时以上，尽量除去离子液体中的水。称取一定量的无水氯化铜加入烘干后的离子液体，使电解液中铜离子的浓度为50 mmol/L，搅拌电解液使氯化铜完全溶解。二、电沉积铜：使用铜板作为阳极，用镍作为阴极基材，采用恒电流的方法在100℃下电沉积2 h，所使用的电流密度为 2 A/dm2，所使用的电压为 -1.2 V vs. Pt。所得沉积层的微观形貌如图1所示。本实施方式，所用的离子液体为商用离子液体，纯度为99%。本实施方式中，无水氯化铜在使用之前也应烘干。本实施方式中，搅拌电解液时，若在常温下操作，应将电解液密封，防止其从空气中吸水；若在80~ 100℃下搅拌，则无须密封，电解液溶解后为黄褐色。本实施方本文档来自技高网...

【技术保护点】
离子液体电沉积金属单质的方法，其特征在于所述方法步骤如下：一、量取所需量的离子液体和金属离子源物质置于电解槽中，在25~80℃匀速搅拌至源物质完全溶解，得到澄清透明的电解液，所述金属离子源物质为铜、铟或镓离子；二、采用恒电流或恒电压的电沉积方法，在工作电极的基材表面电沉积铜、铟或镓金属单质，控制温度为25~150℃，沉积时间为0.5~4 h。

【技术特征摘要】
1.离子液体电沉积金属单质的方法，其特征在于所述方法步骤如下：
一、量取所需量的离子液体和金属离子源物质置于电解槽中，在25~80℃匀速搅拌至源物质完全溶解，得到澄清透明的电解液，所述金属离子源物质为铜、铟或镓离子；
二、采用恒电流或恒电压的电沉积方法，在工作电极的基材表面电沉积铜、铟或镓金属单质，控制温度为25~150℃，沉积时间为0.5~4 h。
2.根据权利要求1所述的离子液体电沉积金属单质的方法，其特征在于所述的离子液体为咪唑类离子液体。
3.根据权利要求2所述的离子液体电沉积金属单质的方法，其特征在于所述的咪唑类离子液体为以1 – 烷基 – 3 – 甲基咪唑为阳离子的离子液体。
4.根据权利要求3所述的离子液体电沉积金属单质的方法，其特征在于所述的以1 – 烷基 – 3 – 甲基咪唑为阳离子的离子液体为1 – 烷基 – 3 – 甲基咪唑硝酸盐、1 – 烷基 – 3 – 甲基咪唑甲磺酸盐、1 – 烷基 – 3 – 甲基咪唑硫酸二甲酯、1 – 烷基 – 3 – 甲基咪唑三氟醋酸盐、1 – 烷基 – 3 – 甲基咪唑醋酸盐、1 – 烷基 – 3 – 甲基咪唑苯酸盐、1 – 烷基 – 3 – 甲基咪唑糖精、1 – 烷基 – 3 – 甲基咪唑二氰胺、1 – 烷基 – 3 – 甲基咪唑三氟甲磺酸盐或1...

【专利技术属性】
技术研发人员：安茂忠，张杰，姬姗姗，连叶，杨培霞，张锦秋，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23