电镀镍纳米晶的制备和应用技术

1.工艺特点

镍纳米线阵列主要以AAO为模板，采用直流或交流电沉积法制备。采用聚苯乙烯与聚吡咯双模板可制备出镍纳米点阵。镍纳米晶多采用直流电沉积法或脉冲电沉积法。为了获得镍纳米晶，通常在镀液中加入晶粒细化剂或表面活性剂。采用循环伏安法在AAO模板中制备镍纳米管阵，其顶端的开口内可填充磁性或非磁性材料，制成多元异质复合纳米结构材料。

2.镀液组分及工艺条件

电镀镍纳米晶的镀液组分及工艺条件见表7-6。

表7-6 电镀镍纳米晶的镀液组分及工艺条件

3.镀液中各成分的作用

1）硫酸镍是主盐。氯化镍是阳极活化剂，能提高镀液的导电性能，还能提供镍离子。硼酸是缓冲剂，可用于调节镀液的pH值。也有研究表明，硼酸在镀液中达到饱和浓度之前，随硼酸浓度的增加，镍的晶粒尺寸降低。(https://www.xing528.com)

2）糖精是晶粒细化剂。在一定浓度范围内，随糖精浓度的增加，晶粒细化程度提高，镍纳米晶的粒径可细化至8nm。十二烷基磺酸钠为表面润湿剂和光亮剂，在工艺5中有助于得到形状规整的金属纳米点阵。少量的十二烷基磺酸钠和糖精共同使用，还能降低镀层的内应力。香豆素、硫脲、甲酸等也可作为电镀镍纳米晶的添加剂，主要是通过其在阴极表面的吸附作用而达到晶粒细化的目的。

3）硫酸铵是镍离子的配位剂，对工艺6中镍纳米管的生成起重要作用。Ni²⁺与铵离子有较强的配位作用，形成镍铵配位离子，该类离子优先吸附在模板的孔壁表面，进而Ni²⁺在电场的作用下被还原成金属单质镍，在孔壁的表面形成晶核。由于孔洞内压的影响，进入孔洞内的Ni²⁺浓度比较低，原有核的长大比形成新核所需的势能更小，镍晶粒更倾向于沿此前在模板孔洞内壁形成的核逐渐长大，从而形成纳米管。同时，硫酸铵体系可以较好地稳定溶液的pH值，增强溶液导电性，从而得到致密均一的镍纳米管。

4.工艺条件的影响

（1）脉冲电流 采用脉冲电镀时，通常关断时间要大于导通时间。峰值电流密度要在一个合适的范围内，具体情况应根据不同的镀液体系确定。若峰值电流密度太高，沉积层可能烧焦或发黑；若峰值电流密度太低，则容易生成粗大的晶粒。有研究表明，随脉冲峰值电流密度的增大，镍镀层的（111）晶面择优取向程度逐渐增加，镍晶粒逐渐细化，镍镀层的硬度增大。

（2）沉积电压 工艺2中的直流沉积电压从1V增大到5V时，所沉积制备的镍纳米线都具有面心立方（fcc）结构，但镍纳米线的择优取向发生变化。当沉积电压为3V和4V时，所制备的镍纳米线在（220）方向具有择优取向，当电压为5V时，制备的镍纳米线沿（111）方向择优生长。1～2V的低沉积电压可以制备出多晶的镍纳米线，更高的沉积电压能够制备出单晶纳米线。

（3）模板类型 使用不同模板沉积出的纳米线材料的形貌和尺寸不同。沉积于硫酸氧化膜纳米孔中的镍纳米线直径约为10nm，长度约为4μm；沉积于磷酸氧化膜纳米孔中的镍纳米纤维直径则相应较粗，约为30nm，长度约为150nm。通过改变氧化后扩孔处理的方法和时间能够改变纳米孔的直径和长度，从而获得相应直径和长度的镍纳米线。改变电沉积时的电压和时间则不能改变纳米孔的尺寸，只影响镍纳米线的长度。双模板法是将球形聚苯乙烯组装在金导电基体上，然后通过电沉积将聚吡咯膜沉积在球形聚苯乙烯空隙中，再采用四氢呋喃将聚苯乙烯溶解，从而得到形状与原来聚苯乙烯圆球相同的模板。将聚吡咯膜转化为绝缘体后，在底层金盘上生长出镍金属颗粒，与聚苯乙烯圆球的尺寸相同。