Điện hóa là tên gọi một lĩnh vực trong hóa học nghiên cứu về mối liên hệ giữa các quá trình hóa học và dòng điện. Một phản ứng hóa học xảy ra khi có dòng điện chạy qua, hay qua phản ứng hóa học xuất hiện một hiệu điện thế, đây là những quá trình điện hóa. Trong các quá trình này luôn tồn tại đồng thời hai hiện tượng: ôxi hóa và ôxi hóa khử (phản ứng ôxi hóa khử).
Lắng đọng bằng điện hóa (còn gọi là mạ điện) là một phương pháp chế tạo màng mỏng pha lỏng mà dựa trên các phản ứng điện hóa (khử hay oxi hóa) khi sử dụng bộ cấp nguồn bên ngoài. Trong đó bộ cấp nguồn sử dụng ít nhất hai điện cực, giữa chúng có các dòng trong dung dịch mạ. Một trong các điện cực là điện cực làm việc (WE - Working Electrode), hoặc đế đặt màng cần mạ, và một điện cực khác là điện cực đếm (CE - Counter Electrode). Màng cần mạ thường là các hợp chất của kim loại, trong quá trình mạ thông qua các phản ứng khử, tức là, điện cực
làm việc là một catot. Một hệ điện hóa phổ biến bao gồm một hệ ba điện cực trong đó, điện cực thứ ba là điện cực so sánh (RE - Reference Electrode) từ đó thế điện hóa của điện cực làm việc có thể điều khiển được hoặc đo được. Nếu điều khiển được thế của điện cực làm việc ta có thể đo được dòng điện trong bình điện hóa và ngược lại. Quá trình lắng đọng thường được thực hiện ở một thế không đổi (potentiostatically) hay tại một dòng không đổi (galvanostatically), nhưng thế và dòng dạng sóng hay xung đều có thể sử dụng được.
Trong việc lắng đọng màng mỏng có nhiều thành phần, mẫu thu được bằng phương pháp lắng đọng điện hóa có thể được chế tạo theo hai quá trình: điện hóa một bước hoặc điện hóa nhiều bước. Với quá trình điện hóa nhiều bước: lần lượt các thành phần sẽ được lắng đọng độc lập với nhau và với từng thế lắng đọng riêng biệt tương ứng với mỗi nguyên tố. Phương pháp này có ưu điểm là không phải tìm một thế lắng đọng chung cho tất cả các nguyên tố trong hợp thức vật liệu cần lắng đọng điện hóa. Tuy nhiên, phương pháp này gặp nhiều khó khăn như phái bố trí nhiều bề mặt lắng đọng khác nhau, quá trình chuyển các điện cực giữa các bề mặt có thể gây hỏng mẫu và không đảm bảo độ sạch cho mẫu, để có thành phần mẫu hợp nhất đòi hỏi quá trình xử lý nhiệt đối với mẫu sau khi chế tạo sẽ phức tạp…Để khắc phục các khó khăn trên, giải pháp đưa ra đó là chế tạo mẫu bằng phương pháp lắng đọng điện hóa một bước, đó là quá trình lắng đọng đồng thời các nguyên tố của vật liệu trong cùng một bể lắng đọng và cùng một thế lắng đọng. Phương pháp lắng đọng điện hóa một bước thường tiến hành nhanh, thuận lợi, có độ chính xác cao (sai số của phép phân tích trong khoảng 0,1 – 0,28 %) và độ chọn lọc cao. Tuy nhiên, số nguyên tố có thể mạ lên mẫu bằng phương pháp điện hóa không nhiều, hàm lượng chất nghiên cứu cần phải đủ lớn, và khó khăn nhất tìm ra thế lắng đọng chung cho các vật liệu ở trong dung dịch. Khó khăn này được giải quyết nhở sở dụng phương pháp Vol-Ampe vòng (CV) để tìm thế lắng đọng điện hóa như đã trình bày ở mục 2.1
Các bước chung nhất cho lắng đọng điện hóa một bước:
- Lựa chọn điện cực sử dụng (thường là Pt, Ag/AgCl, đế - điện cực làm việc (có thể là SnO2, Ti, Ni, Mo, Au, Cu…)
- Xử lý các vật liệu tiền chất trước khi mạ (làm sạch, làm tinh khiết…)
- Lựa chọn dung dịch điện phân (có thành phần các ion với nồng độ phù hợp, có chất tăng cường và chất tạo phức thích hợp)
- Lựa chọn thế làm việc phù hợp với các ion trong dung dịch - Xử lý sau mạ.
Trong luận án, tôi sử dụng phương pháp điện hóa một bước để chế tạo màng mỏng Bi2Te3. Trong quá trình thực hiện thí nghiệm đã tồn tại một số khó khăn trong việc lắng đọng như: dung môi hòa tan các chất, chất tạo phức, điện cực làm việc, nhiệt độ dung dịch lắng đọng…Những điều trên đã được giải quyết và được trình bày trong chương 3.
Hình 2.6 là sơ đồ bố trí thí nghiệm lắng đọng điện hóa tạo màng Bi2Te3. Hệ điện hóa bao gồm 3 cực: điện cực đếm, điện cực so sánh, điện cực làm việc. Dung dịch điện phân sau khi hòa tan được cho vào phễu, một đầu của các điện cực được đặt chìm vào trong dung dịch, đầu còn lại của các điện cực được kết nối với máy tính để ra lệnh điều khiển, đặt thế lắng đọng.
Hình 2.7. Thiết bị lắng đọng điện hóa.
Các hóa chất được sử dụng là: 0,05 M Bi(NO3)3 , 0,05 M TeCl4, 0,05 M LiClO4, Ethylene glycol. Tất cả đều có độ sạch trên 99%.