[发明专利]基于光刻掩膜与微液池的电化学高通量测试方法与装置

说明书

技术领域

本发明涉及金属腐蚀、微区电化学及系统性数据积累应用技术领域。具体涉及一种基于光刻掩膜与微液池的电化学高通量测试方法与装置。

背景技术

金属材料的成分及其分布、微观组织结构、材料内的缺陷情况、受力情况(包括材料的内应力和外界施加应力)等多方面的因素均可能对金属材料的腐蚀行为(腐蚀类型及腐蚀速率)产生影响。同一宏观成分的金属其微观组织结构与成分分布存在差异时即使在同一溶液中不仅腐蚀速率、甚至腐蚀机理都可能不同。传统电化学技术在进行金属局部腐蚀研究时，试样封装暴露面积通常为mm²-cm²，难以在微米或亚微米尺度域上进行测量，表征的是材料整体的电化学行为，对于微米尺度上单相如夹杂或者第二相，很难甚至不能给出局部的电化学信息，从而限制了对许多复杂腐蚀体系和腐蚀机理的研究。

常规微区电化学技术受限于方法和装置的发展，目前主要可划分为以下两种：

1)扫描探针测量，基于把参比电极做成微/超微电极，将暴露面积通常为mm²-cm²的试样浸入溶液中，通过微参比电极扫描样品表面来测量电位或电流梯度。该方法对探针制备技术要求较高，实验过程中测量的是整个浸没表面耦合的平均电流信号，而不是微区局部腐蚀电流信号，并且缺少电化学动力学过程信息；

2)微区技术，基于把测试区域做小，减小暴露面积，制成电化学微液池，对试样表面目标区域进行选择性测量，从而进行金属局部电化学信息表征。微区技术是在基体限定反应面积上(微米～百微米尺度)进行电化学测量的方法。通常有两种主要方法：A)用玻璃、贵金属、塑料等制作微细管，运用微细管将测试液固定在样品表面，工作电极区域由微细滴管内径限定，通常利用微细管尖端部分封涂硅胶或利用液体自身表面张力限定测试液。微细管尖端部分硅胶通常不能做到硅胶截面完全平整或硅胶层厚度一致，在与金属试样表面接触时，可能导致漏液、氧扩散、金属表面缝隙腐蚀等问题，利用溶液自身表面张力来控制液滴则更容易引发漏液及氧扩散问题，可能会导致试样表面微区面积和欧姆电阻发生变化,从而导致对试样局部电化学信息的不正确评价。手工制作微细管很难在形状、开口大小上保持可重复性，毛细管拉拔设备制作微细管，对设备精度要求高，并且需要丰富的制备经验以保证微细管的高质量和稳定性，即使如此也难保证测试区域面积的精确性，导致腐蚀动力学参数误差的提高，进而需要额外的校准方法对反应面积进行修正。通常微细管口径减小需要较长的过渡(3～5cm)，从而导致在低电导率的测试液中造成很高的欧姆电阻，口径小于100um以后，该效应会更加突出，因此需要恒电位仪具有很高的输入电阻以提高对微电流测量的灵敏度，对仪器设备要求较高。而高电导率的测试液极易造成微细管管口发生结晶而堵塞导致实验失败；B)在显微镜下利用手工喷涂光刻胶将工作电极上暴露的区域缩小，受限于方法原理，这种方法不利于更广泛的应用，且由于手工操作，覆盖/裸露的尺寸难以达到微米尺度；而激光烧灼选定区域的方法在样品制备时间和成本上将极大提高，并且可控性差，对于微米尺度的精确控制受限于激光技术的发展而不利于高通量试样的制备。

当需要在金属表面做多个点的微区测量时，受限于方法和装置，需要耗费较长时间进行下一个点的定位和测量工作，测量效率较低。

高通量实验是在短时间内完成大量样品的制备与表征，将传统研究中采用的按顺序依次进行改变为并行或自动化处理，以量变引起研究效率的质变，降低人员、资金、时间投入，快速地获取有价值的研究成果，同时提高实验数据收集和研究的客观性与科学性。

综上所述，有必要提出一种合理简便的、科学的微区电化学研究方法，研制一种高效率的微区电化学研究装置，探究金属材料微区电化学动力学参数，进一步深入研究复杂的腐蚀体系和腐蚀机理。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种基于光刻掩膜与微液池的电化学高通量测试方法与装置，以克服现有技术中存在的方法和装置中的如漏液、氧扩散、高欧姆电阻等问题及缺陷，保证金属微区电化学测量过程中的科学性和严谨性，提高金属试样微区电化学测量效率。

本发明是通过以下技术方案实现的：

基于光刻掩膜与微液池的电化学高通量测试装置，所述装置包括：

微液池测试系统，用于提供待测金属试样微区电化学测量所需的稳定的微液池及提供三电极体系中对电极与参比电极，且能够寻找、定位所述待测金属试样微区的位置；

高精度XYZ三维移动平台系统，能够在三维方向调整金属试样的位置和角度；