Elettrodeposizione di film sottili di rame da soluzioni alcaline contenenti complessanti organici

Abstract

Questo progetto di tesi magistrale è contestuale al progetto europeo “Reusable Mask Patterning”, incentrato sulla creazione di un nuovo paradigma di microfabbricazione come alternativa più sostenibile rispetto alle tecniche litografiche attualmente in uso. Tale alternativa prevede l’utilizzo di mascheranti per patterning basati su fluidi magnetoresponsivi anziché i classici fotoresist in materiali polimerici. Il paradigma REMAP verrà dimostrato nella produzione di celle solari a film sottile CIGS, opportunamente fabbricate tramite tecniche elettrochimiche; durante questo progetto è stata effettuata la caratterizzazione elettrochimica di un bagno galvanico alcalino sostenibile, grazie al quale elettrodepositare film sottili di Cu, che in futuro verranno accoppiati a film di In e Ga depositati mediante tecniche medesime da bagni galvanici costituiti opportunamente. Nella fattispecie, questa tesi propone un’alternativa agli attuali bagni galvanici alcalini di complessi rameosi cianurati, tramite altri tipi di agenti complessanti, e in particolare alanina racema. I bagni galvanici basati su soluzioni acide permettono in linea di principio una deposizione più rapida, ma i film depositati risultano fortemente porosi e non adeguati agli scopi del progetto. Sono state utilizzate tecniche di voltammetria ciclica per la caratterizzazione del sistema, così come misure accoppiate di deposizione e corrosione dei film al fine di valutare parametri importanti e ottimizzabili come il tasso di crescita del film sottile e l’efficienza della deposizione. Inoltre, si è valutata la possibilità di aggiungere un agente livellante per diminuire la crescita dendritica e aumentare l’omogeneità del film. Infine, sono stati effettuati studi cinetici riguardanti il meccanismo di deposizione, dei processi diffusivi e dei fenomeni di superficie dei complessi di Cu(II) con l’ausilio di elettrodi a disco rotante e spettroscopia di impedenza, interpolando i dati ottenuti con modelli matematici.

This master's thesis project is contextual to the European project "Reusable Mask Patterning", focused on the creation of a new microfabrication paradigm as a more sustainable alternative to the lithographic techniques currently in use. This alternative involves the use of masking agents for patterning based on magnetoresponsive fluids rather than classic photoresists made of polymeric materials. The REMAP paradigm will be demonstrated in the production of CIGS thin film solar cells, suitably fabricated via electrochemical techniques; during this project the electrochemical characterization of a sustainable alkaline galvanic bath was carried out, thanks to which thin films of Cu were electrodeposited, which in the future will be coupled to In and Ga films deposited using the same techniques from appropriately constituted galvanic baths. In this case, this thesis proposes an alternative to the current alkaline galvanic baths of cuprous cyanurate complexes, using other types of complexing agents, and in particular racemic alanine. Galvanic baths based on acid solutions in principle allow faster deposition, but the deposited films are highly porous and not suitable for the purposes of the project. Cyclic voltammetry techniques were used to characterize the system, as well as coupled film deposition and corrosion measurements in order to evaluate important and optimizable parameters such as thin film growth rate and deposition efficiency. Furthermore, the possibility of adding a leveling agent to decrease dendritic growth and increase the homogeneity of the film was evaluated. Finally, kinetic studies were carried out regarding the deposition mechanism, diffusive processes and surface phenomena of the Cu(II) complexes with the aid of rotating disk electrodes and impedance spectroscopy, interpolating the data obtained with mathematical models.