Влияние режимов электрохимического осаждения на структуру и свойства In-Ni покрытий

                                       в                                         г

а - изображение поверхности в виде фазового контраста; б -  профилограмма поверхности по оси х; в - профилограмма поверхности по оси y; г - гистограмма распределения неровностей поверхности

Рисунок 3.4

 

Приведенные зависимости  характерны для покрытия, полученного  из электролита, в котором отсутствует  In₂(SO₄)₃.

Рисунку 3.4 б соответствует профилограмма по оси x, на ней представлен рельеф поверхности. По оси абсцисс отложена ширина изученной зоны, по оси ординат – высота зерна. Исходя из рисунка видно, что при ширине изученной зоны (l) от 0 до 0,5 мкм, высота зерна (h) варьируется от 49 до 70 нм, при l = 0,5 - 1,0 мкм высота составляет 57 - 73 нм,  при l =1,0 - 1,5мкрн h = 87 - 100 нм, при                      l= 1,5 - 2,0 мкм h = 63 - 83 нм.

На рисунке 3.4 в представлена профилограмма поверхности по оси y. По рисунку видно, что при l = 0 - 0,5 мкрн, высота зерна составляет 53 - 70 нм, при l = 0,5 - 1,0 мкм h = 69 – 105 нм, при l = 1,0-1,5 мкм h = 80-114 нм, при l = 1,5-2,0 нм      h = 64 – 76 мкм.

                                       а                                         б

                                       в                                        г

а - изображение поверхности в виде фазового контраста; б - профилограмма поверхности по оси х; в - профилограмма поверхности по оси y; г - гистограмма распределения неровностей поверхности

Рисунок 3.5

Приведенные зависимости  характерны для покрытия с содержанием    In₂(SO₄)₃ = 1 г/л.

Рисунку 3.5 б соответствует профилограмма по оси x, на ней представлен рельеф поверхности. По оси абсцисс отложена ширина изученной зоны, по оси ординат – высота зерна. Исходя из рисунка видно, что при ширине изученной зоны (l) от 0 до 0,5 мкм, высота зерна (h) варьируется от 35 до 77 нм, при l = 0,5 - 1,0 мкм высота составляет 54-77 нм,  при l = 1,0-1,5 мкм h = 23 - 44 нм, при l= 1,5 - 2,0 мкм h = 44 - 82 нм.

На рисунке 3.5 в представлена профилограмма поверхности по оси y. По рисунку видно, что при l = 0 - 0,5 мкм, высота зерна составляет 45,5 - 76 нм, при       l = 0,5 - 1,0 мкм h = 46 – 62 нм, при l = 1,0 - 1,5 мкм h = 59 - 93 нм, при l = 1,5 - 2,0 нм h = 62 – 73 мкм.

                                         а                                    б

                                        в                                        г

а - изображение поверхности в виде фазового контраста; б - профилограмма поверхности по оси х; в – профилограмма поверхности по оси y; г - гистограмма распределения неровностей поверхности

Рисунок 3.6

Приведенные зависимости  характерны для покрытия с содержанием     In₂(SO₄)₃ = 2 г/л.

Рисунку 3.6 б соответствует профилограмма по оси x, на ней представлен рельеф поверхности. По оси абсцисс отложена ширина изученной зоны, по оси ординат – высота зерна. Исходя из рисунка видно, что при ширине изученной зоны (l) от 0 до 0,5 мкм, высота зерна (h) варьируется от 36 до 59 нм, при l = 0,5 - 1,0 мкм высота составляет 32 - 48 нм,  при l =1,0 - 1,5 мкм h = 37 - 47 нм, при l= 1,5 - 2,0 мкм h = 48 - 53 нм.

На рисунке 3.6 в представлена профилограмма поверхности по оси y. По рисунку видно, что при l = 0 - 0,5 мкм, высота зерна составляет 27 - 62 нм, при        l = 0,5 - 1,0 мкм h = 37 – 56 нм, при l = 1,0 - 1,5 мкм h = 34 - 47 нм, при l = 1,5 - 2,0 нм h = 36 – 44 мкм.

                                        а                                      б

                                          в                                     г

а - изображение поверхности в виде фазового контраста; б - профилограмма поверхности по оси х; в - профилограмма поверхности по оси y; г - гистограмма распределения неровностей поверхности

Рисунок 3.7

Приведенные зависимости  характерны для покрытия с содержанием    In₂(SO₄)₃ = 4 г/л.

Рисунку 3.7 б соответствует профилограмма по оси x, на ней представлен рельеф поверхности. По оси абсцисс отложена ширина изученной зоны, по оси ординат – высота зерна. Исходя из рисунка видно, что при ширине изученной зоны (l) от 0 до 0,5 мкм, высота зерна (h) варьируется от 17 до 32 нм, при l = 0,5 - 1,0 мкм высота составляет 23 - 37 нм,  при l =1,0 - 1,5 мкм h = 17 - 43 нм, при l= 1,5 - 2,0 мкм h = 24 - 38 нм.

На рисунке 3.7 в представлена профилограмма поверхности по оси y. По рисунку видно, что при l = 0 - 0,5мкм, высота зерна составляет 20 - 35 нм, при          l = 0,5 - 1,0 мкм h = 17 – 31 нм, при l = 1,0 - 1,5 мкм h = 19 - 36 нм, при l = 1,5 - 2,0 нм h = 22 – 46 мкм.

                                         а                                     б

                                          в                                   г

а - изображение поверхности в виде фазового контраста; б - профилограмма поверхности по оси х; в - профилограмма поверхности по оси y; г - гистограмма распределения неровностей поверхности

Рисунок 3.8

Приведенные зависимости  характерны для покрытия с содержанием    In₂(SO₄)₃ = 8 г/л.

Рисунку 3.8 б соответствует профилограмма по оси x, на ней представлен рельеф поверхности. По оси абсцисс отложена ширина изученной зоны, по оси ординат – высота зерна. Исходя из рисунка видно, что при ширине изученной зоны (l) от 0 до 0,5 мкм, высота зерна (h) варьируется от 51 до 66 нм, при l = 0,5 - 1,0 мкм высота составляет 49 - 57 нм,  при l =1,0 - 1,5мкм h = 51 - 59 нм, при l= 1,5 - 2,0 мкм h = 46 - 54,5 нм.

На рисунке 3.8 в представлена профилограмма поверхности по оси y. По рисунку видно, что при l = 0 - 0,5мкрн, высота зерна составляет 52 - 67,5 нм, при l = 0,5 - 1,0 мкм h = 49 – 59 нм, при l = 1,0 - 1,5 мкм h = 46 - 59 нм, при l = 1,5 - 2,0 нм   h = 71 – 83 мкм.

                                        а                                       б

                                         в                                     г

а - изображение поверхности в виде фазового контраста; б - профилограмма поверхности по оси х; в - профилограмма поверхности по оси y; г - гистограмма распределения неровностей поверхности

Рисунок 3.9

Приведенные зависимости  характерны для покрытия с содержанием    In₂(SO₄)₃ = 12 г/л.

Рисунку 3.9 б соответствует профилограмма  по оси x, на ней представлен рельеф поверхности. По оси абсцисс отложена ширина изученной зоны, по оси ординат – высота зерна. Исходя из рисунка видно, что при ширине изученной зоны (l) от 0 до 0,5 мкм, высота зерна (h) варьируется от 105 до 123 нм, при                         l = 0,5 - 1,0 мкм высота составляет 114 - 119 нм,  при l =1,0 - 1,5 мкм h = 113 - 127 нм, при l= 1,5 - 2,0 мкм h = 110 - 117 нм.

На рисунке 3.9 в представлена профилограмма поверхности по оси y. По рисунку видно, что при l = 0 - 0,5 мкм, высота зерна составляет 117 - 133 нм, при      l = 0,5 - 1,0 мкм h = 103 – 127 нм, при l = 1,0 - 1,5 мкм h = 114 - 123 нм, при                 l = 1,5 - 2,0 нм h = 104 – 127 мкм.

Из данных, представленных на рисунках 3.4 - 3.9 видно, что топология  поверхности полученных пленок сильно развитая. Это можно связать с  островковыми зародышами осаждаемой системы  в начальные моменты времени. Напряженность электрического поля на выступающих над катодами островками становится больше, чем над свободным  от осадка катодом. Рост катодной пленки в островковой части начинает опережать рост основной пленки, что  приводит к возникновению развитой поверхности.

На рисунке 4.0 представлена трехмерная диаграмма топологии поверхности.

Рисунок 4.0 – Трехмерная диаграмма топологии поверхности

 

На рисунке 4.1 представлена зависимость максимального размера  зерна, составляющего 75 – 170 нм, от содержания In₂(SO₄)₃ в растворе электролита. Данная зависимость является результирующей огибающей кривой, согласно данным трехмерной диаграммы топологии поверхности Ni-In пленок.

 

Рисунок 4.1 – Зависимость  размера частиц от концентрации In₂(SO₄)₃

 

На рисунке 4.1 видно, что  при отсутствии в электролите  сульфата индия (III), максимальный размер зерна равен 130 нм. При введении In₂(SO₄)₃ в размере 1, 2, 4, 8, 12 г/л размер зерна составляет 105, 75, 70,100, 170 нм.

Рисунок 4.2 – Зависимость числа частиц (N) от концентрации In₂(SO₄)₃

 

На рисунках 4.1, 4.2 видно, что при отсутствии в электролите In₂(SO₄)₃, максимальное число частиц (N), соответствующее размеру 70 нм, равняется 5300. При увеличении содержания сульфата индия (III) от 1 до 4 г/л максимальный размер частиц уменьшается от 70 до 23 нм, а их число варьируется от 4000 до 9500. Далее при увеличении In₂(SO₄)₃ до 12 г/л максимальный размер частиц достигает 105 нм, а N = 8500. Таким образом результаты эксперимента выявили, что из изученных составов электролита оптимальными является концентрация In₂(SO₄)₃ = 4 г/л. Электролит никелирования с данным содержанием сульфата индия (III) позволяет получать зернистые и более равномернозернистые Ni – In покрытия, это обеспечивает лучшие физико – механические свойства (свариваемость, коррозионную стойкость).

 

3.3 Рентгеноструктурный анализ

 

Рентгеноструктурные исследования были проведены по вышеописанной  методике с использованием медного  излучения. Результаты расчета рентгенограмм  сведены в таблицу 3.1. Анализ полученных результатов показывает, что при содержании в электролите In₂(SO₄)₃ в количестве менее 2 г/л на катоде осаждается пленка никеля, присутствие чистого индия и его соединений с никелем не отмечено. С увеличением содержания сульфата индия (III) в растворе до 2 г/л на катоде осаждается чистый никель и интерметаллиды: InNi₂, InNi₃, In₃Ni₂, η - In₂₇Ni₁₀. При увеличении содержания до 4 г/л в составе катодной пленки появляется чистый никель. В электролитически осажденных пленках с содержанием индия 8 г/л появляется дополнительная фаза ε - InNi . Увеличение содержания сульфата индия (III) до 12 г/л полностью завязывает никель в химические соединения, линия, соответствующая чистому никелю – отсутствует. В диаграммах равновесного состояния [13, 44] отсутствует фаза η – In₂₇Ni₁₀,  однако, по данным американской международной добровольной организации, разрабатывающей стандарты для материалов ASTM (American Society for Testing and Materials) в системе Ni - In указана интерметаллидная фаза η – In₂₇Ni₁₀, с тетрагональной решеткой  [5]. Рентгеноструктурный анализ проведенный на наших образцах выявил данную фазу в системах, синтезированных в электролитах с содержанием In₂(SO₄)₃  от 2 г/л и более. По-видимому, наличие данной фазы зависит от способа получения системы In - Ni или она является неравновесной. В данной работе система создавалась электролитическим путем при комнатной температуре. Отсутствие высоких температур при изготовлении сплава In - Ni очевидно способствует стабилизации фазы η – In₂₇Ni₁₀. Можно предположить, что η - фаза должна образовываться при любых методах синтеза, исключающих нагрев.

 

Таблица 3.1 – Результаты расчета рентгенограмм

№	2Ө	Ө	sinӨ	d/n	фаза	Интенсивность
1	2	3	4	5	6	7
Образец №1 (4 г/л)
1	30,4	15,2	0,26218	2,9369	η-In27Ni10	Средняя
2	32,9	16,45	0,28317	2,71921	In	Средняя
3	38,88	19,44	0,3328	2,3137	γ-InNi3	Средняя
4	39,16	19,58	0,3351	2,29782	In	Средняя
5	43,3	21,65	0,3689	2,08728	In3Ni2	Слабая
6	45,42	22,71	0,38606	1,9945	Ni	Слабая
7	53,75	26,87	0,45196	1,70369	InNi2	Слабая
8	66,38	33,19	0,5474	1,40664	Ni	Очень сильная
9	67,36	33,68	0,5545	1,388638	η-In27Ni10	Слабая
10	79,86	39,93	0,6418	1,19975	Ni	средняя
Образец№2 (1 г/л In)
1	37,5	18,75	0,32143	2,39554	Ni	Очень слабая
2	45,42	22,71	0,38606	1,994508	Ni	Очень слабая
3	66,38	33,19	0,54741	1,406623	Ni	Очень сильная
4	74,33	37,16	0,60404	1,27475	Ni	Очень слабая
5	79,67	39,84	0,64064	1,201923	Ni	Слабая
Образец№3 (2 г/л In)
1	37,44	18,72	0,32094	2,3992	γ-InNi3	Слабая
2	45,42	22,71	0,38606	1,9945	Ni	Слабая
3	53,86	26,93	0,4529	1,70015	InNi2	Слабая
4	66	33	0,54463	1,4138	Ni	Очень сильная
5	67,36	33,68	0,55455	1,38851	η-In27Ni10	Слабая
6	79,67	39,84	0,64064	1,20192	Ni	Слабая