آبکاری در مقیاس نانو (جلد اول)

تکنولوژی آبکاری بیش از 2000 سال است که وجود دارد و در طول دو هزاره گذشته به طورپیوسته مورد استفاده قرار گرفته است. تکنولوژی آبکاری مدرن بسیار پیشرفته است و به منظور در برگرفتن محدوده وسیعی از کاربردها گسترش داده شده است؛ یعنی علاوه بر کاربرد صنعتی از آن برای تمامکاری سطحی، تکنولوژی آبکاری هم اکنون می تواند برای فرایندهای جدید به منظور ساخت فیلم هایی با کارآیی زیاد یا بدنه هایی با ریزساختار ریز در صنایع میکرو الکترونیک مورد استفاده واقع شود. این پیشرفت سریع نشان دهنده پتانسیل روش آبکاری برای تبدیل شدن به یکی از تکنیک های پیشرو امروزی است.
با این وجود، سرعت توسعه تکنولوژی آبکاری به دلیل فقدان اصول نظری عمیق کند است و عموماً بر پایه روش سعی و خطا برای حصول فیلم هایی با خصوصیات مورد نظر استوار است. علی رغم تلاش های فراوان، هنوز یک تئوری واحد برقرار نشده است که این کنترل را به یک روش مناسب فراهم کند. این کتاب مجموع های از نتایج آزمایشگاهی متعددی است که در طول 34 سال گذشته به دست آمده اند. در اینجا مفهوم ”نظریه کنترل ریزساختار“ برای فیلم‌های آبکاری شده معرفی خواهد شد که متفاوت از تئوری‌های پیشین است. سپس نتایج آزمایشگاهی متعددی که تأیید کننده صحت این تئوری هستند توصیف خواهند شد. در نهایت، مجموعه عظیمی ازداده های تجربی در مورد سیستم های فلزی/آلیاژی آبکاری شده با تأکید بر ریزساختار آنها آورده شده‌اند.
واضح است که در سال های اخیر تحقیقات بسیاری در مورد کنترل ریزساختار فیلم‌های آبکاری شده انجام شده است. پس از ده ها سال تحقیق در مورد تکنولوژی آبکاری، نویسندگان احساس کردند که نیاز ضروری به یک کتاب در مورد نظریه کنترل ریزساختار در صنعت آبکاری وجود دارد. بنابراین کتاب حاضر تألیف شد، اگرچه مباحث مطرح شده در آن هنوز کامل نیستند.
برای توصیف یک روش مؤثر برای تحقیق در مورد فرایند آب‌کاری، روش های تحقیقاتی و تجربی آبکاری توضیح داده شده اند. ریزساختار 53 نوع از فلزات خالص و آلیاژهای آبکاری شده گردآوری شده اند، که یک مجموعه داده مفید را برای فیلم های آبکاری شده فراهم می کند. ویژگی منحصر به فرد این مجموعه داده ها این است که حمامهای آبکاری انتخاب شده ساده بوده و اغلب بدون افزودنی هستند. علاوه بر این، مواد آمورف به عنوان زیرلایه انتخاب شدند تا اینکه از تأثیر ساختار زیرلایه جلوگیری بعمل آید. همچنین، زیرلایه های تک بلوری به منظور مطالعه پدیده رشد اپیتاکسی مورد استفاده قرار گرفتند.

نظریه کنترل ریزساختار فیلم آبکاری

هدف نهائی از انجام تحقیق در زمینه تکنولوژی آبکاری الکتریکی بررسی چگونگی تولید فیلم‌های آبکاری شده با خواص مکانیکی، فیزیکی و شیمیایی مطلوب است که بتوانند نیازهای کاربردی ویژه را برآورده سازند.
در گذشته، تعداد فراوانی از مقاله‌ها در زمینه تکنولوژی های آبکاری الکتریکی منتشر شده است و تأکید ابتدایی آنها بر مطالعات الکتروشیمیایی بوده است. در آنِ واحد، کوشش‌های گوناگونی به منظور بنا نهادن نظریه ای یکپارچه انجام گرفت که کنترل ریزساختار و خواص را میسر می سازد. تلاش ها برای بنا نهادن یک چنین نظریه ای به دلیل پیچیدگی های موجود در رسیدن به شرایط آزمایشی کنترل شده ناموفق بوده است. این، اغلب در مواردی است که هنگام تثبیت یک پارامتر، پارامترهای دیگر به طور غیر قابل کنترل تغییر می کنند، یعنی تمام پارامترهای آزمایشی در آن واحد نمی توانند ثابت باشند. به علاوه، تمام واکنش های شیمیایی در حال وقوع در طول فرایندهای رسوب نشانی الکتروشیمیایی به خوبی درک نشده اند. به دلیل این مشکلات و مجهولات تجربی، یک روند نظری معتبر که سعی در پیدا کردن راهی برای پیوند با تکنولوژی های آبکاری دارد یافت نشده است.
نتایج تحقیقات گسترده رسوب نشانی الکتروشیمیایی در گذشته نشان دادند که تمام خواص فیزیکی فیلم‌های آبکاری شده باید ناشی از ریزساختار آنها باشد. برای مثال، در استخراج رابطه ترکیب ریزساختار- آلیاژ در فیلم‌های آبکاری آلیاژی مشخص شد که جزئیات ریزساختاری اطلاعات مناسب تری را در مقایسه با یافته های حاصل از واکنش‌های شیمیایی که در طول فرایند رسوب نشانی الکتروشیمیایی اتفاق می افتد، فراهم کردند.
اگر این مفهوم که “فیلم‌های آبکاری شده مواد متالورژیکی هستند و بنابراین خواص آنها به نمودار فازی تعادلی آنها کاملاً مربوط است” مورد تأیید واقع شود “می توان به طور منطقی ریزساختار را با استفاده از یک مفهوم متالورژیکی توضیح داد”.
درک ریزساختار به پیشرفت نظریه ای منتهی شد که روشی را برای کنترل ریزساختار فیلم‌های آبکاری شده پیشنهاد می کند. این نظریه، نظریه کنترل ریزساختار نامیده خواهد شد (TMC) .
همچنین دیگر خواص فیزیکی همچون مورفولوژی سطحی، اندازه دانه و بافت، را میتوان به طور مستقل به روش مشابهی کنترل کرد. بر اساس مطالعات پیشین و گزار شهای مقالات، می توان هفت دسته ریزساختار را در فیلم های آبکاری شده طرح ریزی کرد، همان گونه که در شکل 1-1 اشاره شده است. وقتی که TMC برای هر دسته ریزساختار کاملاً توسعه یابد، کنترل خواص فیزیکی تمامی دسته‌های فیلم ها ممکن خواهد بود.