铜、铟和镓金属及其沉积层广泛应用于电子、信息等行业。这些金属还是多种重要半导体化合物的主要组成,包括In Sb、In As、Ga N、Cu(In,Ga)(S,Se)2等。传统水溶液体系电沉积这三种金属及其合金工艺面临着环保、安全和操作性等诸多问题。具有多种特殊物理化学性质的离子液体,在替代水溶液电沉积体系方面具有显著优势,尤其在电沉积合金方面,可以电沉积得到种类广泛、结构特殊、性能优异的合金沉积层。为实现离子液体电沉积太阳电池用铜铟镓硒薄膜材料,作为理论与技术铺垫,本文采用循环伏安法、旋转圆盘电极法和计时电流法系统地研究铜、铟和镓在1-丁基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐([BMIM][Tf O])离子液体中的电沉积行为。循环伏安法研究表明,[BMIM][Tf O]离子液体在玻碳、铂和钼电极上的电化学窗口的大小顺序为:玻碳电极>铂电极>钼电极。温度升高,[BMIM][Tf O]在3种电极上的的电化学窗口都会变窄。[BMIM][Tf O]离子液体中,Ga3+在上述3种电极上都为一步放电得到Ga,成核超电势顺序为:玻碳电极>铂电极>钼电极,循环伏安曲线中有明显的成核环。旋转圆盘电极法研究表明,不同温度时Ga3+的扩散系数有一定差别,由Arrhenius方程计算得出的扩散平均活化能约为47.15 KJ/mol。根据暂态电流~时间曲线和SEM观察发现,70℃时镓在玻碳和钼电极上的沉积都为三维瞬时成核过程,25℃时镓在玻碳电极上的沉积为三维缓慢成核过程,非线性拟合得到镓的成核参数N0(瞬间形成晶核密度)远小于实测结果,这与晶核聚集和溶液体系有关。钼基底上的镓电沉积层由球状颗粒构成,25℃时,在低超电势下得到的镓沉积层平整致密,而在高超电势时则疏松多孔;温度越高越有利于得到晶粒更大的镓沉积层;但当温度超过镓的熔点后,温度对镓沉积层微观形貌就几乎没有影响。XRD分析表明,60℃时得到的镓沉积层不呈现结晶结构。[BMIM][Tf O]离子液体中,Cu2+的还原过程为两步放电过程,即存在氧化还原电对Cu2+/Cu+和Cu+/Cu0,并且第二步放电为涉及多电子、多步骤的异相沉积过程;不同温度时Cu2+离子的扩散系数远大于Ga3+离子的扩散系数,氧化还原电对Cu2+/Cu+和Cu2+/Cu0的扩散平均活化能分别为34.72和31.88 KJ/mol;铜在玻碳电极上具有三维缓慢成核过程,而在钼电极上却为三维瞬时成核。铜沉积层也是由球状颗粒构成,高超电势有利于晶粒细化,可获得更加致密平整的沉积层;温度越高,晶粒尺寸越大;70℃时得到的铜电沉积层为晶态,由Scherrer公式估算的晶粒大小约为25 nm。[BMIM][Tf O]离子液体中,In3+的还原过程为一步放电过程,循环伏安曲线中也有明显的成核峰;70℃时In3+离子的扩散系数为3.93×10-8 cm2/s,与Ga3+离子的扩散系数非常接近;铟在玻碳和钼电极上都为三维瞬时成核,并且铟晶核沿着某些晶面优先生长;在钼基底上的铟电沉积层中有多种形态的颗粒,低超电势时可以得到分散均匀的铟八面体颗粒,高超电势时的铟沉积层致密平整;温度越高,铟沉积层的结晶颗粒越大;70℃时得到的铟沉积层为晶态,由Scherrer公式估算的晶粒大小约为79 nm,铟在(101)晶面优先生长。分子动力学模拟表明,阴、阳离子对BMIM+和Tf O-与多种铟晶面都有相互作用,其中在(111)和(110)晶面上的作用能最大,这阐明了钼基底上八面体及其他多种形态的铟颗粒形成的内因。