Grundlagenuntersuchungen zur Wirkweise und Kontrolle von Katalysatoren in autokatalytischen Bädern zur Metallabscheidung

Hahn, Sebastian

In this work, a flow cell for in-situ microgravimetrical and electrochemical investigationsis introduced and characterized. The well understood homogeneous diffusionboundary layer of a rotating disk electrode (RDE) is well suited for the study of electrochemicalprocesses, but the in-situ measurement of layer thickness is not possible.This parameter is important for the characterization of deposition processes and canbe measured with a quartz crystal microbalance (QCM), but rotation for generating ahomogenous flow and diffusion boundary layer is hardly feasible. Instead, we builda combination of a flow cell with a QCM to allow the investigation of diffusioneffects on electrochemical metal deposition speed.For the flow cell design and optimization, the “Comsol Multiphysics“ software wasused to calculate flow conditions and concentration gradients at the electrode. Calculationresults were checked by measuring current limiting density values of theredox system Hexacyanoferrat II/III in our flow cell/QCM combinations and comparingthem to values obtained with an RDE.The main application of the experimental assembly is the characterization of theautocatalytic NiP-deposition. In this process, stabilizers are used to prevent the spontaneousdecomposition of the electrolyte. The inhibition of the deposition rate as afunction of stabilizer concentration and its dependence on flow conditions is examined.Lead and thiourea are used as stabilizers in this work.In the same experimental arrangement, the electrochemical dissolution potential ofthe previously deposited NiP-layer was measured in a variety of dissolution electrolytes.It was found that the NiP-layer's dissolution potential is influenced by the typeof stabilizer, its concentration and the flow conditions during the deposition step.After optimizing the dissolution electrolyte, the measurement of the dissolutionpotential allowed the estimation of the thiourea concentration in the depositionelectrolyte in a range between 0-0,5 ppm and >1 ppm.

In der vorliegenden Arbeit wurde eine Strömungszelle für insitu mikrogravimetrische Untersuchungen entwickelt und charakterisiert. Während sich an einer rotierenden Scheibenelektrode (RDE) ausbildende homogene Diffusionsgrenzschicht gut für die Charakterisierung von elektrochemischen Prozessen eignet, ist eine in situ Schichtendickenmessung nicht möglich. Dieser gerade für Messungen von Abscheidungsprozessen wichtige Parameter ist mit einer QCM gut messbar, hierbei ist aber die Erzeugung einer homogenen Diffusionsgrenzschicht durch Rotation nur schwer realisierbar. Die Kombination einer Strömungszelle mit der Quarzmikrowaage(QCM) erlaubt die Untersuchung transportabhängiger Metallabscheidungen bei gleichzeitiger insitu Messung der Schichtdickenänderung. Zur Optimierung der Strömungszelle wird die Simulationssoftware „Comsol Multiphysics“ verwendet. Mit Hilfe der Simulation werden unterschiedliche Strömungen und der Stoffumsatz der Elektrode berechnet. Zur Charakterisierung wird die Grenzstromdichte des Redoxsystem HexacyanoferratII/III an der RDE verwendet. Die Ergebnisse der QCM in der Strömungszelle werden jeweils mit den Simulationsergebnissen und den Versuchsergebnissen der RDE verglichen und ausgewertet. Als wichtigste technische Anwendung wird die autokatalytische Nickelphosphorabscheidunguntersucht. Stabilisatoren verhindern eine spontane Elektrolytzersetzung. Die Inhibierung der Abscheidegeschwindigkeit bei unterschiedlichen Stabilisatorkonzentrationen und Strömungsgeschwindigkeiten wird aufgezeigt. Als Stabilisatoren werden Blei und Thioharnstoff verwendet. Im gleichen Aufbau wird der Einfluss der Stabilisatorkonzentration auf dieabgeschiedene NiP-Schicht wird durch eine elektrochemische Auflösung untersucht. Das Auflösepotential der NiP-Schicht nimmt mit höherer Stabilisatorkonzentration im Abscheideelektrolyten ab. Durch Messung des Auflösepotentials können dieNiP-Schicht der hochphosphorhaltigen NiP-Schicht mit 11 Gew.-%, die mittelphosphorhaltige NiP-Schicht mit 7 Gew.-% Phosphor mit und ohne Schwefel unterschieden werden. Der Einfluss der Thioharnstoffkonzentration auf das Auflösepotential erlaubt die Abschätzung der Thioharnstoffkonzentration zwischen 0-0,5 ppmund >1 ppm.

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Hahn, Sebastian: Grundlagenuntersuchungen zur Wirkweise und Kontrolle von Katalysatoren in autokatalytischen Bädern zur Metallabscheidung. 2015.

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