Analysis of Effect of Concentration Dependence of Exchange Current on the Metal Electrodeposition into Template Nanopores

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Metal electrodeposition into the nanopores of template of porous anodic alumina type under the conditions of mixed kinetics is studied theoretically using analytical and numerical methods. Two main stages of the process are studied: the non-steady-state formation of diffusion layer in the template pores and much longer process of pore filling with metal. The effect of nonlinearity of the concentration dependence of exchange current density of metal electrodeposition on the current density of the diffusion layer formation and pore filling with metal is studied.

About the authors

D. A. Bograchev

Ariel University, The Faculty of Natural Sciences, Department of Chemical Sciences

Email: bograchev@gmail.com
Ariel, Israel

T. B. Kabanova

Frumkin Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry, Russian Academy of Sciences

Email: alexdavydov@yandex.ru
Moscow, Russia

A. D. Davydov

Frumkin Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: alexdavydov@yandex.ru
Moscow, Russia

References

  1. Whitney, T.M., Jiang, J.S., Searson, P.C., and Chien, C.L., Fabrication and magnetic properties of arrays of metallic nanowires, Science, 1993, vol. 261, p. 1316.
  2. Banerjee, S., Dan, A., and Chakravorty, D., Review synthesis of conducting nanowires, J. Mater. Sci., 2002, vol. 37, p. 4261.
  3. Li, Y., Qian, F., Xiang, J., and Lieber, C.M., Nanowire electronic and optoelectronic devices, Mater. Today, 2006, vol. 9, p. 18.
  4. Давыдов, А.Д., Волгин, В.М. Темплатное электроосаждение металлов (Обзор). Электрохимия. 2016. Т. 52. С. 905. [Davydov, A.D. and Volgin, V.M., Template electrodeposition of metals. Review, Russ. J. Electrochem., 2016, vol. 52, p. 806.]
  5. Possin, G.E., A method for forming very small diameter wires, Rev. Sci. Instrum., 1970, vol. 41, p. 772.
  6. Lee, W. and Park, S.-J., Porous anodic aluminum oxide: Anodization and templated synthesis of functional nanostructures, Chem. Rev., 2014, vol. 114, p. 7487.
  7. Proenca, M.P., Sousa, C.T., Ventura, J., Vazquez, M., and Araujo, J.P., Ni growth inside ordered arrays of alumina nanopores: enhancing the deposition rate, Electrochim. Acta, 2012, vol. 72, p. 215.
  8. Napolskii, K.S., Roslyakov, I.V., Eliseev, A.A., Petukhov, D.I., Lukashin, A.V., Chen, S.-F., Liu, C.-P., and Tsirlina, G.A., Tuning the microstructure and functional properties of metal nanowire arrays via deposition potential, Electrochim. Acta, 2011, vol. 56, p. 2378.
  9. Schwanbeck, H. and Schmidt, U., Preparation and characterization of magnetic nanostructures using filtration membranes, Electrochim. Acta, 2000, vol. 45, p. 4389.
  10. Fedorov, F.S., Dunne, P., Gebert, A., and Uhlemann, M., Influence of Cu2+ ion concentration on the uniform electrochemical growth of copper nanowires in ordered alumina template, J. Electrochem. Soc., 2015, vol. 162, p. D568.
  11. Shin, S., Kong, B.H., Kim, B.S., Kim, K.M., Cho, H.K., and Cho, H.H., Over 95% of large-scale length uniformity in template-assisted electrodeposited nanowires by subzero-temperature electrodeposition, Nanoscale Res. Lett., 2011, vol. 6, p. 467.
  12. Valizadeh, S., George, J.M., Leisner, P., and Hultman, L., Electrochemical deposition of Co nanowire arrays: quantitative consideration of concentration profiles, Electrochim. Acta, 2001, vol. 47, p. 865.
  13. Schuchert, I.U., Toimil Molares, M.E., Dobrev, D., Vetter, J., Neumann, R., and Martin, M., Electrochemical copper deposition in etched ion track membranes. Experimental results and a qualitative kinetic model, J. Electrochem. Soc., 2003, vol. 150, p. C189.
  14. Philippe, L., Kacem, N., and Michler, J., Electrochemical deposition of metals inside high aspect ratio nanoelectrode array: analytical current expression and multidimensional kinetic model for cobalt nanostructure synthesis, J. Phys. Chem. C, 2007, vol. 111, p. 5229.
  15. Lopes, M.C., de Oliveira, C.P., and Pereira, E.C., Computational modeling of the template-assisted deposition of nanowires, Electrochim. Acta, 2008, vol. 53, p. 4359.
  16. Bograchev, D.A., Volgin, V.M., and Davydov, A.D., Simple model of mass transfer in template synthesis of metal ordered nanowire arrays, Electrochim. Acta, 2013, vol. 96, p. 1.
  17. Bograchev, D.A., Volgin, V.M., and Davydov, A.D., Simulation of inhomogeneous pores filling in template electrodeposition of ordered metal nanowire arrays, Electrochim. Acta, 2013, vol. 112, p. 279.
  18. Бограчев, Д.А., Волгин, В.М., Давыдов, А.Д. Моделирование электроосаждения металла в порах анодного оксида алюминия. Электрохимия. 2015. Т. 51. С. 907. [Bograchev, D.A., Volgin, V.M., and Davydov, A.D., Modeling of metal electrodeposition in the pores of anodic aluminum oxide, Russ. J. Electrochem., 2015, vol. 51, p. 799.]
  19. Bograchev, D.A. and Davydov, A.D., Effect of applied temperature gradient on instability of template-assisted metal electrodeposition, Electrochim. Acta, 2019, vol. 296, p. 1049.
  20. Shin, S., Al-Housseiny, T.T., Kim, B.S., Cho, H.H., and Stone, H.A., The race of nanowires: morphological instabilities and a control strategy, Nano Lett., 2014, vol. 14, p. 4395.
  21. Konishi, Y., Motoyama, M., Matsushima, H., Fukunaka, Y., Ishii, R., and Ito, Y., Electrodeposition of Cu nanowire arrays with a template, J. Electroanal. Chem., 2003, vol. 559, p. 149.
  22. Blanco, S., Vargas, R., Mostany, J., Borrás, C., and Scharifker, B.R., Modeling the growth of nanowire arrays in porous membrane templates, J. Electrochem. Soc., 2014, vol. 161, p. E3341.
  23. Bograchev, D.A. and Davydov, A.D., The role of common outer diffusion layer in the metal electrodeposition into template nanopores, Electrochim. Acta, 2021, vol. 367, p. 137405.
  24. Bograchev, D.A., Volgin, V.M., and Davydov, A.D., Mass transfer during metal electrodeposition into the pores of anodic aluminum oxide from a binary electrolyte under the potentiostatic and galvanostatic conditions, Electrochim. Acta, 2016, vol. 207, p. 247.
  25. Bograchev, D.A. and Davydov, A.D., The shape of end-face surface of a wire growing in a template nanopore, J. Electroanal. Chem., 2021, vol. 900, p. 115709.
  26. Newman, J. and Thomas-Alyea, K.E., Electrochemical Systems, 2004.
  27. Shampine, L.F., Solving 0 = F(t,y(t),y′(t)) in matlab, J. Numer. Math., 2002, vol. 10, p. 291.
  28. Gileadi, E., Kirowa-Eisner, E., and Penciner, J., Interfacial Electrochemistry: An Experimental Approach, New York: Addison-Wesley, Advanced Book Program, 1975.
  29. Skeel, R.D. and Berzins, M., A method for the spatial discretization of parabolic equations in one space variable, SIAM J. Sci. Stat. Comput., 1990, vol. 11, p. 1.
  30. Bograchev, D., Influence of diffusion through a porous film under electrode surface in chronoamperometry problems, Defect Diffus. Forum, Trans. Tech. Publ., 2021, vol. 413, p. 84.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2.

Download (157KB)
3.

Download (303KB)
4.

Download (65KB)
5.

Download (373KB)
6.

Download (292KB)
7.

Download (150KB)

Copyright (c) 2023 Д.А. Бограчев, Т.Б. Кабанова, А.Д. Давыдов

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».