沉积电流对Co-Pt-P薄膜耐蚀性的影响

卢建彪， 朱天琪， 吴盼盼， 江 莉， 余云丹， 卫国英， 葛洪良

（中国计量学院 材料科学与工程学院，浙江 杭州310018）

0 前言

磁性薄膜研究的快速发展，已成为当今磁学和磁性材料发展的一大特征。Co-Pt磁性薄膜由于具有单向磁晶各向异性、较高的矫顽力、良好的化学稳定性以及较强的耐蚀性，有可能成为超高密度磁记录介质而受到广泛关注［1-2］。传统的制备方法有反应溅射法、化学沉积法、电沉积法等。其中电沉积法不仅操作简单，而且制备的磁性薄膜具有较好的性能，能严格控制膜的厚度、均匀性、沉积速率等，是未来研究Co-Pt磁性薄膜的一大趋势［3］。

本文采用电沉积技术制备了Co-Pt-P磁性薄膜，着重研究了沉积电流对薄膜表面形貌及耐蚀性的影响。

1 实验

1.1 Co-Pt-P薄膜的制备

采用2.0cm×1.3cm的黄铜片作为基底，前处理工艺在室温下进行。先将黄铜片放入碱液中除油0.5min，去离子水清洗后，放入质量分数为3%的稀盐酸中酸洗活化0.5min；再次用去离子水清洗后，放入V乙醇∶V丙酮＝1∶1的溶液中并超声波清洗5min；最后用去离子水冲洗黄铜片，烘干后放入配制好的100mL镀液中电镀25min。

1.2 镀液配制

实验采用配位物镀液。溶液配制需按照以下步骤完成：（1）将Co（NH2SO3）2，（NH4）2C6H6O7，NH2CH2COOH溶解，混合液置于水浴锅中进行水浴加热；（2）将Pt（NH3）2（NO2）2溶于纯水中，在磁力搅拌机上边搅拌边加热至全部溶解；（3）将NaH2PO2·H2O溶解；（4）将上述三种溶液混合在一起，用NaOH调节溶液的pH值至8.0，体积定容为100mL。

镀液配方及工艺条件为：NaH2PO2·H2O 0.06 mol／L，Pt（NH3）2（NO2）20.01mol／L，（NH4）2C6H6O70.2mol／L，Co（NH2SO3）20.1 mol／L，NH2CH2COOH 0.1mol／L，pH值8.0，60℃。

1.3 性能测试

1.3.1 耐蚀性测试

采用电化学方法对Co-Pt-P薄膜进行耐蚀性测试。采用三电极体系，研究电极为Co-Pt-P薄膜，辅助电极为铂电极，参比电极为饱和甘汞电极。进行电位、极化曲线和交流阻抗测试，测试仪器为PARSTAT 2273型电化学工作站。极化曲线的测试范围为-300～300mV（相对于开路电位），扫描速率为0.5mV／s，采用塔菲尔直线外推法计算出自腐蚀电流密度Jcorr。交流阻抗测试由PowerSuite软件控制，测试频率范围为10mHz～100kHz，交流激励信号幅值为5mV。采用ZSimpWin软件对测量的阻抗结果进行分析。

1.3.2 表面形貌

采用Hitachi S-4700型扫描电子显微镜表征不同沉积电流下制备的薄膜样品的表面形貌。

2 结果与讨论

2.1 耐蚀性分析

在合金电镀中，沉积电流对合金组成及镀层质量有明显的影响。一般来说，随着沉积电流的增大，阴极电势负移，合金中电势较负的金属的质量分数增加。另外，根据扩散理论，金属的沉积速率有一个上限，电势较正的金属的沉积速率比电势较负的金属的更容易接近极限值，增大沉积电流有助于提高电势较负的金属的沉积速率［4］。图1为不同沉积电流下制备的Co-Pt-P薄膜在质量分数为3.5%的NaCl溶液中的极化曲线。由图1可知：Co-Pt-P薄膜在质量分数为3.5%的NaCl溶液中的腐蚀属阴极过程控制。采用塔菲尔直线外推法计算各极化曲线的自腐蚀电流密度，结果见表1。通过比较可知：随着沉积电流的增大，所得薄膜的自腐蚀电位先正移后负移，自腐蚀电流密度先减小后增大。自腐蚀电位主要反映镀层材料的热力学稳定性。当沉积电流为0.08A时，薄膜在质量分数为3.5%的NaCl溶液中的自腐蚀电位最正，自腐蚀电流密度最小，耐蚀性较好。

图1 不同沉积电流下制备的Co-Pt-P薄膜的极化曲线

表1 极化曲线的腐蚀参数分析

图2为不同沉积电流下制备的Co-Pt-P薄膜在质量分数为3.5%的NaCl溶液中的交流阻抗谱。图3为对应的等效电路，其中Rs为溶液电阻，Cf和Rf分别为表面镀膜电容和电阻，Rt为电荷传递电阻，Cd为双电层电容，电化学参数见表2。EIS复平面图由一个高频容抗弧和一个低频容抗弧组成。高频容抗弧可能源于Co-Pt-P薄膜的膜电阻，而低频容抗弧可能归因于腐蚀反应的电荷转移电阻［5］。由表2可知：随着沉积电流的增大，Rt先增大后减小；当沉积电流为0.08A时，Rt最大，Co-Pt-P薄膜显示出最强的电容特性，说明此时Co-Pt-P薄膜的耐蚀性最好［6］。

图2 不同沉积电流下制备的Co-Pt-P薄膜的EIS谱图

图3 等效电路

表2 等效电路的电化学参数分析

2.2 表面形貌分析

为了获得良好的镀层，任何镀液都有一定的电流范围。电流低于下限值，会导致沉积不上金属或沉积层的性能不佳；电流高于上限值，沉积层会出现“烧焦”或“烧黑”现象［7］。图4为不同沉积电流下制备的Co-Pt-P薄膜的表面形貌。由图4可知：当沉积电流为0.06A时，薄膜上晶粒较稀疏，不密实；当沉积电流为0.08A时，薄膜上晶粒大小较为均匀、密集，薄膜厚度和应力都处于最佳状态，没有裂纹等现象出现；当沉积电流为0.10A时，由于薄膜表面应力较大，为了释放应力，薄膜中会形成新的微裂纹或使原来的裂纹扩展，从而导致外层疏松膜逐渐形成。在质量分数为3.5%的NaCl溶液中，Cl-可通过薄膜裂缝渗透到基底进行腐蚀。

图4 不同沉积电流下制备的Co-Pt-P薄膜的表面形貌

3 结论

（1）采用电沉积技术在黄铜基体表面制备Co-Pt-P薄膜。当沉积电流为0.08A时，制备的薄膜平整、致密、光亮。

（2）在质量分数为3.5%的NaCl溶液中，沉积电流为0.08A时制备的Co-Pt-P薄膜的自腐蚀电位为-0.156V，自腐蚀电流密度为1.259μA／cm2，具有较好的耐蚀性。

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［4］成亚.现代实用电镀技术［M］.北京：国防工业出版社，2003：269-276.

［5］陈映川，宋利晓，陈宇，等.纳米黑镍薄膜腐蚀行为的研究［J］.电镀与环保，2011，31（4）：11-14.

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