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本文采用交流阻抗法和极化曲线法,以CuSO4-H2SO4为研究体系,研究了反应控制下超声对铜电化学沉积过程的影响,并借助扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)研究了反应控制和传质控制下超声对铜电化学沉积层表面形貌和晶面取向的影响。1.不同超声条件下铜电化学沉积的交流阻抗谱以CuSO4-H2SO4为研究体系,采用三电极系统,以5.0mm×5.0mm(单面)的紫铜电极为工作电极,10.0mm×10.0mm(单面)的紫铜电极为辅助电极,饱和硫酸亚汞电极为参比电极,在温度为35℃时,铜离子浓度为0.65mol·L-1的水溶液中,静止条件和不同超声条件下测定铜电化学沉积的交流阻抗谱。研究结果表明:电位为-0.4V(vs.Hg/Hg2SO4)时,铜电化学沉积过程受反应控制。静止条件下,铜电化学沉积反应的电荷转移电阻为62.05?。超声可以明显提高铜电化学沉积过程中电极和电解液界面的电子转移速度;在相同反应的条件下,随着超声功率的增大,电极和电解液界面的电子转移速度增大,在频率为24kHz的超声作用下,当超声功率由220W增加到440W时,电荷转移电阻由42.89?减小到28.12?;在相同的反应条件下,随着超声频率的减小,电极和电解液界面的电子转移速度增大,在功率为440W的超声作用下,当超声频率由76kHz减小到24kHz时,电荷转移电阻从40.71?减小到28.12?。2.超声对铜电化学沉积反应动力学参数的影响以CuSO4-H2SO4为研究体系,采用三电极系统,以5.0mm×5.0mm(单面)的紫铜电极为工作电极,10.0mm×10.0mm(单面)的紫铜电极为辅助电极,饱和硫酸亚汞电极为参比电极,在铜离子浓度分别为0.55mol·L-1、0.65mol·L-1和0.75mol·L-1的水溶液中,分别测定不同温度时静止条件和不同超声作用下的极化曲线,扫描速度为1mV·s-1。研究结果如下:超声可以明显提高铜电化学沉积反应的交换电流密度;一定超声频率、温度和硫酸铜溶液浓度时,随着超声功率的增加,交换电流密度以及超声对交换电流密度的强化倍数(超声作用下与静止条件下的交换电流密度的比值)增加;一定超声功率、温度和硫酸铜溶液浓度时,随着超声频率降低,交换电流密度以及超声对交换电流密度的强化倍数增加;一定超声频率、超声功率和硫酸铜溶液浓度时,铜电化学沉积反应的交换电流密度随着温度升高而升高,但是超声对铜电化学沉积交换电流密度的强化倍数却随温度升高而下降。不同超声条件下,超声对电荷传递系数α影响很小,因而超声对铜沉积的电化学过程有一定的影响,但并不改变铜沉积过程的电化学反应机理。3.超声对铜电化学沉积层表面形貌和晶面取向的影响以CuSO4-H2SO4为研究体系,采用三电极系统,以10.0mm×10.0mm(单面)的紫铜电极为工作电极,15.0mm×10.0mm(单面)的紫铜电极为辅助极,饱和硫酸亚汞电极为参比电极,在温度为35℃时,铜离子浓度为0.65mol·L-1的水溶液中,分别在静止条件和超声作用(频率为24kHz)下,恒定电流密度为42.5A·m-2,电解2h制备铜沉积层;同样分别在静止条件和超声作用(频率为24kHz)下,恒定电流密度为500A·m-2,电解10min,得到相同厚度的铜沉积层。研究结果表明:超声对反应控制下制得的铜沉积层的表面形貌和晶面取向无明显影响。静止条件下得到的铜沉积层各晶面的织构系数中,大于25%的为(220)晶面的织构系数TC220,(220)晶面为择优取向;频率为24kHz的超声作用下得到的铜沉积层各晶面的织构系数中,仍以(220)晶面为择优取向。超声对传质控制下制得的铜沉积层的表面形貌有显著的改善作用,超声作用下铜沉积层变得细致均匀。超声对传质控制下得到的铜沉积层的晶面取向也有一定影响:静止条件下得到的铜沉积层各晶面的织构系数中,大于25%的为(111)晶面的织构系数的TC111,(111)晶面为择优取向;在频率为24kHz的超声作用下得到的铜沉积层各晶面的织构系数中,大于25%为(220)晶面的织构系数TC220,(220)晶面为择优取向,可见传质控制下,超声改变了铜电化学沉积层的晶面取向。