沉積電流對Co-Pt-P薄膜耐蝕性的影響

盧建彪， 朱天琪， 吳盼盼， 江 莉， 余云丹， 衛國英， 葛洪良

（中國計量學院 材料科學與工程學院，浙江 杭州310018）

0 前言

磁性薄膜研究的快速發展，已成為當今磁學和磁性材料發展的一大特征。Co-Pt磁性薄膜由于具有單向磁晶各向異性、較高的矯頑力、良好的化學穩定性以及較強的耐蝕性，有可能成為超高密度磁記錄介質而受到廣泛關注［1-2］。傳統的制備方法有反應濺射法、化學沉積法、電沉積法等。其中電沉積法不僅操作簡單，而且制備的磁性薄膜具有較好的性能，能嚴格控制膜的厚度、均勻性、沉積速率等，是未來研究Co-Pt磁性薄膜的一大趨勢［3］。

本文采用電沉積技術制備了Co-Pt-P磁性薄膜，著重研究了沉積電流對薄膜表面形貌及耐蝕性的影響。

1 實驗

1.1 Co-Pt-P薄膜的制備

采用2.0cm×1.3cm的黃銅片作為基底，前處理工藝在室溫下進行。先將黃銅片放入堿液中除油0.5min，去離子水清洗后，放入質量分數為3%的稀鹽酸中酸洗活化0.5min；再次用去離子水清洗后，放入V乙醇∶V丙酮＝1∶1的溶液中并超聲波清洗5min；最后用去離子水沖洗黃銅片，烘干后放入配制好的100mL鍍液中電鍍25min。

1.2 鍍液配制

實驗采用配位物鍍液。溶液配制需按照以下步驟完成：（1）將Co（NH2SO3）2，（NH4）2C6H6O7，NH2CH2COOH溶解，混合液置于水浴鍋中進行水浴加熱；（2）將Pt（NH3）2（NO2）2溶于純水中，在磁力攪拌機上邊攪拌邊加熱至全部溶解；（3）將NaH2PO2·H2O溶解；（4）將上述三種溶液混合在一起，用NaOH調節溶液的pH值至8.0，體積定容為100mL。

鍍液配方及工藝條件為：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 性能測試

1.3.1 耐蝕性測試

采用電化學方法對Co-Pt-P薄膜進行耐蝕性測試。采用三電極體系，研究電極為Co-Pt-P薄膜，輔助電極為鉑電極，參比電極為飽和甘汞電極。進行電位、極化曲線和交流阻抗測試，測試儀器為PARSTAT 2273型電化學工作站。極化曲線的測試范圍為-300～300mV（相對于開路電位），掃描速率為0.5mV／s，采用塔菲爾直線外推法計算出自腐蝕電流密度Jcorr。交流阻抗測試由PowerSuite軟件控制，測試頻率范圍為10mHz～100kHz，交流激勵信號幅值為5mV。采用ZSimpWin軟件對測量的阻抗結果進行分析。

1.3.2 表面形貌

采用Hitachi S-4700型掃描電子顯微鏡表征不同沉積電流下制備的薄膜樣品的表面形貌。

2 結果與討論

2.1 耐蝕性分析

在合金電鍍中，沉積電流對合金組成及鍍層質量有明顯的影響。一般來說，隨著沉積電流的增大，陰極電勢負移，合金中電勢較負的金屬的質量分數增加。另外，根據擴散理論，金屬的沉積速率有一個上限，電勢較正的金屬的沉積速率比電勢較負的金屬的更容易接近極限值，增大沉積電流有助于提高電勢較負的金屬的沉積速率［4］。圖1為不同沉積電流下制備的Co-Pt-P薄膜在質量分數為3.5%的NaCl溶液中的極化曲線。由圖1可知：Co-Pt-P薄膜在質量分數為3.5%的NaCl溶液中的腐蝕屬陰極過程控制。采用塔菲爾直線外推法計算各極化曲線的自腐蝕電流密度，結果見表1。通過比較可知：隨著沉積電流的增大，所得薄膜的自腐蝕電位先正移后負移，自腐蝕電流密度先減小后增大。自腐蝕電位主要反映鍍層材料的熱力學穩定性。當沉積電流為0.08A時，薄膜在質量分數為3.5%的NaCl溶液中的自腐蝕電位最正，自腐蝕電流密度最小，耐蝕性較好。

圖1 不同沉積電流下制備的Co-Pt-P薄膜的極化曲線

表1 極化曲線的腐蝕參數分析

圖2為不同沉積電流下制備的Co-Pt-P薄膜在質量分數為3.5%的NaCl溶液中的交流阻抗譜。圖3為對應的等效電路，其中Rs為溶液電阻，Cf和Rf分別為表面鍍膜電容和電阻，Rt為電荷傳遞電阻，Cd為雙電層電容，電化學參數見表2。EIS復平面圖由一個高頻容抗弧和一個低頻容抗弧組成。高頻容抗弧可能源于Co-Pt-P薄膜的膜電阻，而低頻容抗弧可能歸因于腐蝕反應的電荷轉移電阻［5］。由表2可知：隨著沉積電流的增大，Rt先增大后減小；當沉積電流為0.08A時，Rt最大，Co-Pt-P薄膜顯示出最強的電容特性，說明此時Co-Pt-P薄膜的耐蝕性最好［6］。

圖2 不同沉積電流下制備的Co-Pt-P薄膜的EIS譜圖

圖3 等效電路

表2 等效電路的電化學參數分析

2.2 表面形貌分析

為了獲得良好的鍍層，任何鍍液都有一定的電流范圍。電流低于下限值，會導致沉積不上金屬或沉積層的性能不佳；電流高于上限值，沉積層會出現“燒焦”或“燒黑”現象［7］。圖4為不同沉積電流下制備的Co-Pt-P薄膜的表面形貌。由圖4可知：當沉積電流為0.06A時，薄膜上晶粒較稀疏，不密實；當沉積電流為0.08A時，薄膜上晶粒大小較為均勻、密集，薄膜厚度和應力都處于最佳狀態，沒有裂紋等現象出現；當沉積電流為0.10A時，由于薄膜表面應力較大，為了釋放應力，薄膜中會形成新的微裂紋或使原來的裂紋擴展，從而導致外層疏松膜逐漸形成。在質量分數為3.5%的NaCl溶液中，Cl-可通過薄膜裂縫滲透到基底進行腐蝕。

圖4 不同沉積電流下制備的Co-Pt-P薄膜的表面形貌

3 結論

（1）采用電沉積技術在黃銅基體表面制備Co-Pt-P薄膜。當沉積電流為0.08A時，制備的薄膜平整、致密、光亮。

（2）在質量分數為3.5%的NaCl溶液中，沉積電流為0.08A時制備的Co-Pt-P薄膜的自腐蝕電位為-0.156V，自腐蝕電流密度為1.259μA／cm2，具有較好的耐蝕性。

［1］金延，曉敏.磁性薄膜［J］.金屬功能材料，2003，46（5）：46-47.

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［5］陳映川，宋利曉，陳宇，等.納米黑鎳薄膜腐蝕行為的研究［J］.電鍍與環保，2011，31（4）：11-14.

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