等离子电镀制造技术

本发明专利技术公开了在物体表面沉积先进材料膜的方法。该方法包括将待镀物体放置于具有分离的电极对和电解液的电解槽内，电极之一即为该物体，而电解液含待镀材料的来源。在阴极附近的电解液中形成气泡族团，形成方法有多种，包括电解法、沸腾法、气穴法、气液混合法和喷射法。本发明专利技术的方法还包括以下步骤，即，在阴极与阳极之间施加一电位差，使得气泡区域产生辉光放电，从而在气泡内形成电离气体分子的等离子体。然后该高能气态等离子体使材料沉积在物体表面形成薄膜。本方法可在大气环境中进行，无需真空设备。电解液具有容纳等离子体的作用。穿过气泡族团的大的电压降促使该区域产生辉光放电，导致待镀材料的分子的能量增加并发生电离。还公开了实施本方法的设备。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及在物体表面实现例如金属和非金属材料的沉积。更具体地说，本专利技术涉及在物体表面沉积或形成金属、半金属与非金属镀层的方法以及实施该方法的设备，该方法具有工艺的涵义。本专利技术特别涉及等离子电镀(PEP)方法，但不排除其他方法。等离子电镀可用于在物体表面镀覆例如碳、钛、硅等先进材料的膜层，例如薄膜。为叙述方便，本申请将以这些元素为应用例子进行阐述。应该说明的是，本专利技术的应用范围并不仅限于这些例子，它可扩展到上述例子以外的其他先进材料，也可延伸到铜、锌、金等这些可用传统电镀技术在物体表面镀覆的材料。
技术介绍
“电镀”这一术语指一种工艺，一种众所周知的在物体表面镀金属的技术。典型的电镀工艺在一电解槽中进行。该电解槽中设有阳极、阴极并具有电解液。阴极通常由待镀物体构成，电解液则含待镀金属离子。在阳极和阴极之间施加一个电位差，电场力驱使金属离子在阴极上析出。应用该技术在金属表面镀覆铜、锡、锌和金等金属已有很长的历史。在物体表面用传统技术可镀覆的其他金属还有铬、镍、铁、钴、镉、铅、银、铟、铂等。金属电镀具有广泛的用途，例如在金属表面镀覆，可降低腐蚀倾向，或通过例如镀金来增加美学观感和价值。尽管电镀技术可镀出不少材料，但有许多材料，如所谓的先进材料，却不能用传统电镀技术镀出，原因仅在于金属电化序本身使得这些材料不能在常用的电压下析出。显然，如果能够专利技术一种技术，可在物体表面沉积或镀覆那些先进材料，则该技术就有很大优越性。它将为该令人振奋的领域提供许多新的选择，还将创造许多新的可能性来扩大可镀覆材料品种，从而大大增加薄膜沉积的新应用。当前沉积先进材料的方法有离子气相沉积或溅射技术。实用中，这些工艺均必须在真空室中进行，因而确实具有很大的局限性。首先，实施这些工艺要求相当复杂的真空装备配套。其次，一些溅射技术具有方向性，因而仅仅主要使用于镀覆物件的一个表面。这些技术不能沿表面的周向镀覆，而且不能镀覆结构复杂的三维表面。因此，待镀物体的数量与尺寸也受真空室的尺寸限制。此外，其生产周期长。这些技术伴随高温过程，这对那些易损的或对热敏感的材料的镀覆是不适用的。本专利技术重在克服这些弊病。为明确起见，相关名词在本申请中做下述解释先进材料泛指不能用传统电镀技术镀出的材料。镀覆泛指在物体表面沉积涂层或薄膜的所有方法。薄膜泛指厚度在一个宽范围内变动的涂层。等离子体指因辉光或电弧放电而产生的电离的气态分子集合体。该集合体含有等量的正、负离子，此外也可含部分未电离的原子或分子。术语“包括”应做广义的解释，带类似“包含”之义。“包括”在本申请中应被理解成涉及所叙述到的单个或多个整体或步骤，而不排除其他单个或多个整体或步骤。
技术实现思路
本专利技术的一个方面是，提供在物体表面沉积材料的方法，所述方法包括以下步骤将该物体放置在具有分离的电极对即阴极和阳极、并装有电解液的电解槽中，由所述物体形成所述电极对之一；在邻近所述阴极的电解液区域产生含有待镀材料来源的气泡族团；在上述阴极与阳极之间施加一个电位差，使得在上述气泡区域产生辉光放电，以便在气泡内由气态分子电离而形成等离子体； 由此在所述物体表面上等离子沉积一层薄膜。上述等离子体中产生的高能离子通过与待镀固体表面的相互作用而实现沉积。该等离子体中的电离的气态分子处于高度激活或高能状态，因而能够牢固地沉积在所述一个电极表面。于是，等离子体强化了沉积过程。邻近所述一个电极的辉光放电区的形成是由所述电极周边气泡族团的介电击穿所致。气泡的导电性低，结果在跨越该气泡区域的电极之间形成大的电位降。该电位降是所述电极对之间电位降的主要部分。上述等离子体产生于电解液所包围的气泡内。电解液起到了把等离子体限制在气泡内的作用。该气泡含有电解液中产生的待镀材料前体。该前体可以通过扩散与蒸发从液相中传送到气相中，也可从系统外直接进入气泡。待镀物体可以是任何种类的导电性材料，或待镀表面预镀导电涂层的非导电性材料。适当的导电性材料包括钢、钛和铝等金属材料，也包括半金属和半导体材料如硅、导电无机材料如碳化钨、导电有机材料如ABC塑料。非导电性基材表面涂覆导电涂层的例子有涂覆铟-锡氧化物(ITO)的玻璃，以及涂覆有机导电涂层或经银镜处理的陶瓷或塑料基材。优选的实例包括钢、硅、涂敷ITO的玻璃、钛、铝及其相应的合金等。上述气泡的产生方法，可以是下列方法中的一种或多种，即电解法、沸腾法、气穴法、气液混合法、喷射法、化学反应法、电子或离子碰撞分解法。电解法是通过在电极之间施加电位差而导致电极上气泡析出，例如，氢气泡在阴极上的电解析出，和氧气泡在阳极上的电解析出。沸腾法是在电极区域将电解液电加热到沸腾状态而形成气泡。这可借直接通电加热，或通电加热在电解液中移动或静止的栅网。也可采用微波或激光来产生沸腾气泡。气穴法气泡可由超声波气泡发生器产生，或使液相流体或气液混合流体注入电极附近而产生气泡。还可按流体力学原理在电极附近流动的电解液中也可产生气穴法气泡。直接将气体喷射到电极附近也可产生气泡。也可通过电解液中的化学反应生成气体产物的方法产生气泡。这类反应通常涉及电解液中的化合物的热分解反应或酸碱反应。在电解液中添加发泡剂的方法也可用来产生所需气泡。气泡的产生典型地在所述第一电极周围形成气泡壳。该气泡壳厚度在几个纳米到50毫米之间。典型的气泡壳厚度在1到5毫米。此外应当理解，在整个气泡壳上，气泡可以是不均匀的。气泡可从电解液的组分中产生，或由电解槽外引入气体、蒸汽或气液混合物的方法产生。气泡区形成辉光放电的步骤，可以由提高电极之间的电位差，使之超过某一特定值而实现。选择性地，所述辉光放电的形成步骤，还可以借助其他手段实施辅助，例如磁场、可发射热电子的电热丝、激光、微波或射频辐射。气泡内所含的气态物质可以直接来自电解液，或产生于电解液。辉光放电使气泡内的气体电离而形成等离子体。本专利技术的重要特征之一是电解液起容纳等离子体的作用。本方法一般在大气压下实施，虽然气泡内的压力可以与环境大气压差异较大。明确地说，本工艺并不要求在真空条件下实施。选择性地，本方法可以在低于大气压的压力下实施。所述电解液可包括作为载体的液体；在所述第一电极上沉积的待镀材料来源或前体。所述电解液可包括如下添加剂改善电解液电导率的添加剂、降低电解液表面张力的表面活性剂类添加剂、提高沉积速率的催化剂类添加剂、气泡形成促进剂、pH缓冲剂和/或改善镀层质量的添加剂。提高电解液导电率的添加剂包括有机盐，或无机盐例如氯化钾、氯化镁。待镀材料可从所述电解液中扩散进入气泡，然后在气泡内电离来形成等离子体。本专利技术可沉积那些用普通电镀方法就可镀覆的材料，包括铬、锌、铜、镍、铁、钴、镉、锡、铅、银、金、铟和铂等金属，也包括其合金，以及半导体材料如镓。本方法或工艺还可沉积许多传统电镀工艺无法镀出的先进材料，例如碳、硼、硅等非金属，碳-钛氮化物是不能用传统电镀工艺镀出的非金属，但它可用本专利技术的方法镀出。此外，仅用传统电镀方法极难镀出的金属有钛、铝、钒、钨、锰、钼、铌和铬等。这些金属在水溶液中的电极电位很负。但用本专利技术的方法可以镀出这些金属。采用本专利技术的等离子电镀方法可以镀出半导体化合物如磷化镓、磷化铟、砷化镓、硫化镉、硒化镉、铊化镉、三硫化二铋、硫化亚铜、硒化锌、硒化铟、铊化铟、钼-硒或钨本文档来自技高网...

【技术保护点】
在物体表面沉积材料的方法，所述方法包括以下步骤：将所述物体放置在具有分离的电极对即阴极和阳极、并装有电解液的电解槽中，由所述物体形成所述电极对之一；在邻近所述阴极的电解液区域产生含有待镀材料来源的气泡族团；在上述阴极与阳极之间施 加一个电位差，使得在所述气泡区域产生辉光放电，以便在气泡内由气态分子电离而形成等离子体；由此在所述物体表面上等离子沉积一层薄膜。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈祝平，
申请(专利权)人：译民托马斯张，
类型：发明
国别省市：AU[澳大利亚]