伏安曲线及应用

伏安曲线及应用（精选5篇）

伏安曲线及应用 篇1

伏安特性曲线直观形象地反映了电流与电压的变化规律, 运用伏安特性曲线 (U—I图像或I—U图像) 分析讨论某些物理电路问题不仅简单易行, 而且可以深刻的理解物理概念和物理规律.但是要注意区分电源的伏安特性曲线与负载的伏安伏安特性曲线, 真正理解两种伏安特性曲线.下面用事例来说明两种伏安特性曲线的区别及应用.

一、电源和负载的伏安特性曲线

在电动势E和内阻r一定的电源两端, 接一个阻值为R的定值电阻, 组成一个闭合回路, 如图1所示, 如果用U表示闭合电路的路端电压, I表示通过电路的电流强度, 据欧姆定律有以下规律:U=IR;U=E-Ir.在U—I坐标系上分别画出以上函数的图象, 即直线OP和AB, 如图2所示, 该图象中AB叫做电源的伏安特性曲线, OP叫做负载的伏安特性曲线 (当然也可以画I—U图象) .当负载不是定值电阻时, 其伏安特性曲线不再是一条倾斜直线而是一条曲线.

二、两种伏安特性曲线的基本应用

例1 如图3所示, 直线A为电源的路端电压U与电流I的关系图象, 直线B为电阻R的两端电压U与其中电流I的图象.用该电源与该电阻组成闭合电路.则电源的输出功率和效率分别为多大?

分析:由题中所给的电源伏安特件曲线 (直线A) 可以直接知道:电动势为3V (U—I图象的纵坐标截距) 内阻为0.5Ω (图象斜率的绝对值) ;根据图中直线B还可以知道:负载电阻R等于1Ω (图线B的斜率) .图中交点 (2A, 2V) 表示该电源与该电阻构成回路时的工作点, 此时电源的输出电压等于负载上得到的电压都是U=2V, 干路电流等于2A, 则电源的输出功率P=IU=4W;

电源的效率η= (IU/IE) ×100%=4/6×100%=66.7%.

二、两种伏安特性曲线的妙用

例2 电池A和B的电动势分别为EA和EB, 内阻分别为 rA和 rB, 若这两个电池分别向同一电阻R0供电时, 这个电阻消耗的电功率相同;如果电池A、B分别向另一个阻值比R0大的电阻R供电时的功率分别为PA、PB, 已知EA>EB, 则PA与PB的大小关系如何?

解析:本题若定量计算来比较, 较为繁琐, 但若通过其伏安特性曲线来定性比较极为简便.由题意知道两电池分别向同一电阻R0供电时, 这个电阻消耗的电功率相同, 则rA>rB, 利用EA>EB, rA>rB, 定性作出这两个电池的伏安特性曲线 (U—I图像) , 如图4中A, B两斜线所示;同时做出两个定值电阻R0和R的伏安特件曲线, 如图4中直线R0和R所示.图中M点是两电池接同一个电阻R0时电阻R0的工作点, 此时两电源的输出电压U和干路电流I相等, 因此R0消耗的功率相等.图中交点P和Q分别表示电池A, B分别向电阻R供电时的工作点, 可见此时电池A的路端电压U和干路电流I都更大.故PA>PB.

点评:定值电阻的伏安特性曲线为一倾斜直线, 便于定性作出判定.

例3 如图5所示为额定电压为100V的灯泡由实验得到的I—U图象, 另有规格是“100V, 100W”的定值电阻R (阻值不随温度变化) , 现将灯泡和定值电阻串联后接到100V的电源上, 则此时灯泡消耗的实际功率为多大?

解析:将实际电路 (如图6所示) 等效为电动势E=100V和内阻r=R=100Ω的电源与灯泡串联构成回路 (如图7所示) , 利用等效电源的伏安特性曲线 (I—U图象) 与实验得到的灯泡的伏安特性曲线 (题目已知的I—U图象) 的交点找到灯泡的实际工作点.

图7中:定值电阻R=100Ω, 由电路知识有, U=E-IR=100-100I, 得I=1-0.01U, 在图5中作出等效电源的伏安特性曲线 (如图8中斜线) .其与题目直接给出的灯泡的I—U曲线的交点即为灯泡此时的工作点, 由交点坐标知道:此时灯泡两端电压U=72V, 通过它的电流I=0.28A, 所以灯泡实际消耗功率为

P=IU=0.28×72=20.16W.

点评:此题解法中还用到了等效电源的思想, 这在直流电路中也很有用, 望同学们也要重视!另外, 此题还有其他解法, 大家也可以试试, 学会一题多解, 以切实提高物理的解题能力.

巧用电源伏安特性曲线解题 篇2

例1现有一个电源, 电动势为3 V, 内阻为0. 5Ω; 有一个灯泡, 它的伏安特性曲线如图1中b所示. 试求:

( 1) 将此灯泡和R = 1Ω的定值电阻分别接到该电源上, 它们的功率分别为多少? 若将此灯泡和定值电阻串联接到该电源上, 则它们的功率又为多少?

( 2) 将两个同样的灯泡分别串联与并联接到该电源上, 则它们的功率分别为多少?

解析: ( 1) 由已知条件E = 3 V, 内阻r = 0. 5Ω, 根据闭合电路欧姆定律, 定值电阻的电流

求定值电阻功率容易, 而求灯泡的功率就难了. 因灯泡接入电路中时的实际电阻不能确定, 无法直接用欧姆定律求出灯泡的电压与电流, 所以我们只能根据伏安特性曲线来求解.

作出电源的伏安特性曲线C, 如图1所示. 由伏安特性曲线的特点可知, b与c的交点为灯泡与电源构成回路后的实际工作状态, 此时灯泡两端电压0. 9 V, 流过灯泡的电流I' = 4. 2A, 则小灯泡 的实际功 率P' = U' I'= 3. 78 W.

同样也可以用伏安特性曲线来求定值电阻的功率, 如图1中a为定值电阻的伏安特性曲线, 则a与c的交点为定值电阻与电源构成回路后的实际工作状态, 此时定值电阻两端的电压U = 2 V, 电流I = 2 A, 所以定值电阻的功率为P = UI = 4 W, 结论与欧姆定律求解一致.

若将灯泡和定值电阻串联在电路中, 仍因灯泡的电阻不确定, 致使电路中电流与各部分电路的电压不能确定, 而此时b与c的交点又并非灯泡的实际工作状态, 其功率自然难求了. 其实我们可以变通一下, 将定值电阻等效到电源内阻上组成一个新电源, 其电动势E' = E, 内阻r' = r + R, 根据新电源的伏安特性曲线d与灯泡的伏安特性曲线b的交点, 就可确定此时灯泡两端的电压与电流了. 由图1可知UL= 0. 2 V, IL= 2. 2 A, 则灯泡和电阻功率分别为

以此类推, 若求灯泡和定值电阻并联接入该电源的功率时, 可将定值电阻与电源内阻并联后等效为新电源, 然后作出伏安特性曲线得到电压与电流即可求出各自功率.

( 2) 如将两灯泡串联接入电路, 也因电阻未知而无法确定电流、电压关系, 若采用第一问中的解法也因灯泡电阻不确定而无法等效到电源中去求另一灯泡的电压与电流. 此问可巧妙地将电源拆分为两个相同电源而分别对两个灯泡供电, 拆分后的电动势E' = 1. 5 V, 内阻r = 0. 25Ω, 作出新电源的伏安特性曲线e, 如图2中虚线所示, 根据e与b的交点确定灯泡此时的实际电压0. 6 V, 电流3. 5 A , 解得功率P = UI = 2. 1 W.

同样道理, 两灯泡并联时也将电源拆分为如图3所示的两个电路分别对灯泡供电, 拆分后的电源电动势E″ = 3 V, 内阻r″= 1Ω, 再次作出新的电源伏安特性曲线f, 根据f与b的交点确定灯泡此时的实际电压U = 0. 3 V, 电流I = 2. 6 A, 其功率P = UI= 0. 78 W.

伏安曲线及应用 篇3

伏安特性曲线即I-U图像叫导体的伏安特性曲线,这个图像是通常用于研究导体电阻的变化规律, 是一种常见的图像方法。根据伏安特性曲线的不同,把I-U图像是通过原点的直线的电学元件称为线性元件;I-U图像是曲线的电学元件称为非线性元件。

伏安特性曲线中通过坐标原点的直线(即线性元件)电阻的计算,可直接用R=U/I求得,因此直线的斜率K=I/U即是电阻的倒数, 电阻恒定不变。而非线性元件的伏安特性曲线是弯的,各点的斜率时刻发生改变,那么非线性元件的伏安特性曲线上某点的电阻是该点切线斜率还是该点与原点连线的斜率呢? 为什么会有两种矛盾的表达的方式,哪一种才是正确、合理的呢?

一、典型例题

例1:如图1中所示,如果你加在导体的电压为原来的3/5,导体中的电流是减少0.4A, 如果所加电压变成原来的2倍,则导体中的电流为多大?

解法一:一个线性电阻的解决方案:导体的电阻,符合欧姆定律,由欧姆定律:R=(U0/I0),

解法二:画出导体的I-U图像,如图所示,设原来导体两端的电压为U0时, 此时导体中的电流为I0. 由图知

例2:小灯泡的伏安特性曲线如图中的AB段(曲线)所示,由图2可知,灯丝的电阻因温度的影响改变了______Ω.

例3:为探求小灯泡L的伏安特性,连好图示电路后闭合开关,通过移动变阻器的滑片,使小灯泡中电流由零开始逐渐增大,直到小灯泡正常发光。由电流表和电压表得到的多组度数描绘出的U-I图像应是()。

解析:灯丝的电阻会随着电压的增大而增大,在图像上某点到原点连线的斜率则越来越大。答案选C。

二、提出问题

做这类题目,学生通常有两种思想:一种是用欧姆定律可直接使用瞬时电压除以电流等于电阻。另一种是I-U图像上斜率的倒数(或U-I图像上斜率)是电阻,根据微分的思想,无限小的电流通过电阻影响电压,则切线的斜率(或倾斜)就应该是那时的电阻。例1中这两种想法并不矛盾,但例2、例3两题中可明显看出当时的电压除以电流得到的数值与该点切线的斜率的倒数(或斜率)显然是有出入的,这是为什么呢?

在教学中,例2我们通常会强行要求同学们采用第一种方法,即“用当时的电压除以电流得到电阻”,但遇到例3的情况,可以采用比较前后两点分别到原点连线的斜率的大小, 也可以比较某两点切线斜率的大小, 但是其中的道理由于课时问题一般不会对学生多加解释,学生因为并未理解,所以做到这类题目,虽然反复训练,但错误率仍然很高,甚至一些教师只是机械教学,并未真正理解。

三、解决问题

方案一:从实际得到I-U或U-I图像的方法入手。

想一想,是怎么做出图像的? 是通过实验所得到的电压表及电流表的实验数据,通过描点描绘出来的图线,而这一定是有误差的,原因是曲线上的点是无数的,却不可能做无数次的实验,从而描绘出无数个点? 所以我们做出的图像并不是准确的图像,但是能反映出导体的电压、电流变化的趋势。所以当题目像例2那样要求出某时刻的电阻时,就应该用该时刻的电压除以该时刻电流。例3的目的不是让我们准确地计算出每一刻的小灯泡的电阻,只是让我们观察图像的变化趋势,可以从图线斜率趋势确定阻力的变化。而例1由于图像是一条直线,相比曲线误差小, 用该时刻的电压除以该时刻电流求出的电阻与用斜率求电阻结果是一致的,也就不存在这类问题。

方案二:应用静态电阻和动态电阻的概念加以分析。

对于非线性元件来说,有两个电阻概念:静态电阻和动态电阻。在工作状态的一个非线性元件静态电阻(也称为直流电阻)等于该点的值的电压和电流值的比值;非线性元件在某一工作状态下的动态电阻(也称交流电阻)等于该点的电压对电对电流的导数值,即r=tanβ=(du/di),可见对非线性元件 ,静态电阻和动态电阻是两个不同的概念。

(一 )对于线性电阻而言 ,只有静态电阻 ,其应用在中学阶段比较简单。

例1就是属于这种情况,所以两种方法求得的结果是一样的。

(二 )对于非线性电阻而言,既有静态电阻,又有动态电阻。

例2从图中可以看出, 一个小灯泡是一个非线性元件,在不同电压下有不同的电阻。题目要求的是小灯泡在3V、6V时的静态电阻,所以用当时的电压除以电流得到电阻。而例3要研究的是灯泡变化过程的动态电阻的变化, 因而可以用斜率求解电阻。

四、总结归纳

伏安曲线及应用 篇4

中学课本中有一个学生实验《描绘小灯泡的伏安特性曲线》, 通过改变滑片P的位置, 来测出多组U-I的数据, 再建立一个U-I坐标系, 通过描点绘得一条曲线, 即得到小灯泡的伏安特性曲线。

课本中采用了电流表外接的电路图, 由于实际操作中电压表的电阻无法被看做无限大, 所以读出的电流会偏大;如果采用电流表内接法, 由于电流表也具有一定的内阻, 所以测得的电压也会偏大。因此, 直接采用表中读出的值来进行绘图, 会产生系统误差。

改进实验, 意在使用同样简单的中学电学实验器材, 消除电流表外接时电压表分流亦或是电流表内接时电流表分压所造成的系统误差, 使得电流表和电压表的示数, 都为小灯泡电流和电压的准确值。

二、试验器材

待测小灯泡;开关三个;定值电阻R (1欧左右) ;滑动变阻器四个;相同规格3V电源两个;电流表一只 (量程0.6A) ;电压表一只 (量程3V) ;灵敏电流计一只 (量程约为0.1m A左右) ;导线若干电源 (6V)

三、方案一

(一) 设计思路

由于电流表内接法中电压表的误差是由于电流表上有电压降造成的, 所以我们可以与电流表串联一个电源, 使其可以抵消电流表电压降, 达到实验目的。

(二) 实验步骤

1. 按照电路图正确连接电路

2. 将R1的滑片P1置于B端, R2的滑片置于D端, R3位于D端, R4位于H端。之后依次闭合开关S1、S2、S3。

3. 滑动P1, 以调整R1接入阻值至一恰当值, 再通过调整P2使得灵敏电流计的示数尽量小, 然后调整R4使得G表示数为0, 再在灵敏电流计的示数不超过量程的前提下, 减小R3接入阻值, 并继续通过调整R4阻值使G表示数至0, 最终直到G表示数为0, R3接入阻值也为0时, 读取并记录一组电压表与电流表示数U、I。

4. 重复步骤3, 记录得到多组U-I的值。

5. 建立一个平面直角坐标系, 纵坐标表示电流I, 横坐标表示电压U, 根据实验所得数据描点, 并用平滑曲线连接, 便得到小灯的伏安特性曲线。

(三) 实验原理

改进后的电路中, 当灵敏电流计的示数为0时, a、b两点之间的电压为零, 即a点与b电势相等。如果用等效的思想来看, 由于a、b两点电势相等, 可以把a、b两点视为同一个点, 所以在研究电压表时, 可以视为其接在灯泡的两端 (如图2) , 所以测量值是准确等于小灯泡两端的电压的。对于电流表, 由于ab支路电流为0, 所以流过电流表的电流全部来自于流过小灯泡的电流, 测量值自然也是准确的。

从实质上来看, 电流表上有电势降低, 那么我们就用一个电源来补充这个降低, 在b到a的右支路上, 电势经过电源先增加一个电压, 经过电流表和调整后的滑动变阻器后又刚好降低一个相等的电压, 因此可以得到a、b两点电势相等的结果。其中a到b支路的唯一作用, 就是保证a、b两点具有相同的电势, 由于φa=φb, 进而有Uca=Ucd, 所以电压表的测量值就等于灯泡两端电压了, 而通过电流表的电流全部来自于流过小灯泡支路的电流, 因此达到了两电表示数都准确的目的。

(四) 注意事项

1. 灵敏电流计最好选择灵敏度高 (量程小) 、电流方向为正负都可以测量的电表, 前者是为了保证试验中Uab的准确性, 后者是为了避免烧坏电表。

2. R1的最大阻值应大于小灯泡的阻值, 一般选择最大电阻为数10Ω的滑动变阻器即可。

3. R2的选择应考虑电源E2的情况, 在选择与E1规格相同的电源作为E2的情况下, R4的最大阻值应略大于R1的最大阻值。

4. R4是调整a、b间电势相等的关键电阻, 所以为了保证调整a、b间电势时的灵敏度, 应选择量程较小 (约为几Ω) 且灵敏度较低的滑动变阻器。

5. R2、R4可以充当一个电阻, 但将它们分开是应为各自有不同的作用, 由于b点的电势等于E1减去R1上的电压降, a点的电势等于E2减去一个支路b到a上总电阻的电压降, 所以需要一个和R1同样的一个可以变化的R2来保证两支路的电阻是差不多的, 又由于电流表上分的电压比较小, 我们需要一个很小的调控灵敏度又很高的R4来保证a、b两点电势相等的准确性。

6. 由于R3的作用是保护灵敏电流计, 所以应当根据灵敏电流计的量程来进行选择, 一般在选择零点几毫安量程的灵敏电流计时, R3的最大阻值应为数kΩ左右。

(五) 实际操作

1. 为了防止灵敏电流计被烧坏, 需要在实验开始时将滑片P3滑到F端, 而且必须在S1、S2都闭合的情况下才能闭合S3;在实验过程中调整R1阻值时, 应注意灵敏电流计的示数情况, 若产生了明显的偏转幅度, 就因先将R3向F端滑动, 避免电流过大烧坏电表, 之后再调整R4使灵敏电流计电阻重新变为0。

2. 凭灵敏电流计示数为零判定a、b两点电势相等, 必须建立在R3接入电阻为零的前提之下, 调整P2使指针指向0刻线之后, 就可以减小R3接入阻值, 若发现灵敏电流计又出现偏转幅度, 则应再次调整R4位置使灵敏电流计示数再次为0, 重复该过程直到R3接入阻值为0, 灵敏电流计示数也为0, 就可以读取一组U-I的值了。

3. 若灵敏电流计显示的电流方向为a到b, 则应增大R4接入阻值, 若显示方向为b到a, 则应减小R4接入阻值。

4. 操作过程中同样应注意电流表和电压表不要超出量程。

四、方案二

(一) 设计思路

该实验的初期想法是用两个回路两个电源, 一个并联电压表, 另一个串联电流表, 在保证电压表两端与小灯泡两端电压相等的时候, 就可以达到两电表都是准确的目的。但由于调试过程过于复杂, 于是将两个回路并联在一个电源上, 得到了本实验中的电路图, 该实验电路图具有操作简便、实验器材简单、实验过程简易可行的优点。

(二) 实验步骤

1. 按照电路图3正确连接电路;2.将R1滑到E端, P3滑到A端, 闭合S1;3.滑动P1, 调整R1到一适宜值, 然后滑动P2, 使灵敏电流计示数为0, 然后减小R3接入阻值, 若减小过程中灵敏电流计出现明显偏转, 则需要再次调整P2位置, 使灵敏电流计示数为0, 直到R3接入阻值为0, 灵敏电流计示数也为0的时候, 读取并记录电流表和电压表的值。;4.重复步骤3, 得到多组U-I的值;5.建立一个平面直角坐标系, 纵轴表示电流I, 横轴表示电压U, 根据实验所得数据描点, 并用平滑曲线连接, 得到小灯泡的伏安特性曲线。

(三) 实验原理

同样可以用电势相等的点可以等效的思想来研究电路, 当灵敏电流计示数为0、R3接入阻值为0时, 可以判定a、b两点电势相等, 就可以认为电流表是直接接在小灯泡两端;同时, 通过电流表的电流全部来自于流过小灯泡的电流, 因此小灯泡的示数也是准确的。

实际上由于ab支路没有电流, 所以ab支路的作用仅仅是保证a、b两点的电势相等, 在a、b电势相等的情况下, 即使去掉a、b支路对电路也不会有影响, 所以说在去掉ab支路的情况下研究该电路, 实质上就是运用了两个回路分别测电流表和电压表的示数, 使其互不影响。电流表与小灯泡位于同一支路, 因此示数准确;电压表实际测的是滑动变阻器c点到滑片之间的电压, 但存在滑动变阻器滑片左边电阻比右边电阻等于小灯泡电阻比电流表与定值电阻阻值之和时, 就会有φa=φb, 进而有Uca=Ucb, 这时电压表测得的电压就与小灯泡两端电压相等了。

(四) 注意事项

1. R1起到控制小灯泡两端电源的作用, 应尽量小, 约几Ω。2. R2起到调整a、b间电势或者说电压表示数的作用, 因为调整的目标是使滑片左边电阻比右边电阻, 等于小灯泡电阻比电流表与定值电阻阻值之和, 所以应选择电阻线圈尽量长的滑动变阻器, 其最大阻值不会有太大影响, 但选择阻值比较大的滑动变阻器可以起到保护灵敏电流计和方便R1调整的作用。3.R3起到保护灵敏电流计的作用, 其最大阻值约为几kΩ。4.由于电流表阻值较小, 所以如果仅有一电流表与灯泡串联, 两者电阻差距太大, 会导致R2调试困难, 例如假设小灯泡的电阻是电流表的50倍, 那么调整后R2滑片的位置及其靠近电阻线圈的一端, 而且调整精度要求过高, 因此难以操作所以与电流表串联一个与小灯泡阻值差不多的定值电阻R, 保证a、b电势相等时R2滑片位于电阻线圈中部, 保证了实验的可行性。5.灵敏电流计应当选择两个方向电流都可以测量的, 避免其被烧坏。6.为保证实验准确性, 判定a、b两点电势相等时R3接入阻值应为0。7.若实验过程中G表偏转角度过大, 就应先增大R3阻值再调整R2, 避免烧坏灵敏电流计。8.若灵敏电流计显示的电流方向为a到b, 则P2应向C端滑动;若为b到a, 则P2应向D端滑动。

五、误差分析

在方案一中, 电表不会造成误差, 电源内阻对实验结果也无影响, 导线的电阻一般不考虑, 所以正常情况下系统误差已被排除。

人为调整灵敏电流计时可能会有偏差, 但由于灵敏电流计的数量级很小, 误差的数量级也就更小了, 几乎无法在读数的电流表和电压表上得到体现, 一般可以不考虑。

在方案二中, 系统误差已被排除, 认为调整G表不准确导致的误差在电流表和电压表上难以体现, 所以一般情况下是没有误差的。

摘要：中学课本中《描绘小灯泡伏安特性曲线》的实验, 由于考虑到测试用电压电流表的非理想特性, 会产生系统误差, 本实验的通过重新设计了两种测试电路, 考虑到了表的非理性特性, 设计上进行了补偿, 从理论上消除了测试误差。

关键词：伏安法,误差,补偿,等电势,等效电路

参考文献

[1]敬晓丹, 李义.伏安法与补偿法测电阻的实验研究[J].大学物理实验, 2014, 27 (3) :47-49.

[2]蔡燃, 陈清梅, 安红.伏安法测电阻的电压补偿法研究[J].物理通报, 2009 (4) :45-46.

[3]伍中南, 刘爱琳.探究伏安法测电阻[J].数理天地:高中版, 2007 (11) .

[4]孙其成.伏安法测电阻实验电路的设计方法[J].物理教师, 2012 (4) :33-34.

伏安曲线及应用 篇5

近年来,镀铜在纳米材料科学(如封装和磁记录的纳米多层膜)及半导体微电子工业(如IC中的铜互连线超等角填充技术)中发挥了非常重要的作用。铜的电沉积,特别是在异相基底上的金属电沉积,一般都经过电结晶过程。电结晶过程是电沉积的初始阶段,包括金属的成核和核的生长过程。电沉积铜的超等角填充大多是依靠酸性镀铜液中多种添加剂的共同作用实现的[1,2,3,4,5,6],最常用的添加剂是促进剂3-巯基丙烷磺酸[HSO3-(CH2)3SH,MPS]、阻化剂聚乙二醇(PEG)和无机氯离子(Cl-),尽管这些添加剂的用量相对很低,但是对金属离子的还原有很大的影响。研究添加剂对金属电沉积的影响最为常用的电化学方法是极化曲线和循环伏安曲线,由阴极极化曲线和阴极峰的位移方向和大小判断添加剂对金属电沉积所起的作用是促进还是阻化,由稳态极化曲线研究添加剂对电沉积的动力学过程的影响。事实上,添加剂对金属电沉积的影响在最初就表现为对电结晶的影响,即对电沉积的影响从电结晶过程就开始了,在循环伏安(CV)曲线上表现为出现成核环。反过来,成核环的性质(位置及构成成核的电流的相对大小)可以说明添加剂对电沉积的作用,而成核环在电化学研究中通常是用以分析成核机理和成核数等。本工作以常见的3种添加剂为例,探讨不同添加剂下成核环的形成特点,并从其成核环的位置以及构成成核环的电流曲线来探讨添加剂对铜电沉积的影响及其机理。

1 试验

进行循环伏安试验时,电位从开路电位先向阴极方向扫描,然后反向向阳极方向扫描,再反向回到开路电位。采用三电极体系,以玻碳电极作研究电极,辅助电极为大面积的铂片电极;参比电极为Hg/Hg2SO4电极(文中提到的电极电位均相对该电极)。电解液体系为0.05 mol/L Cu SO4-0.5 mol/L H2SO4溶液(试验1)和在其中加入0.010 g/L MPS(试验2),0.030 g/L PEG(试验3),0.030 g/L PEG+0.020 g/L Cl-(试验4),0.020 g/L Cl-(试验5),0.010 g/L MPS+0.020 g/L Cl-(试验6),0.010 g/L MPS+0.030 g/L PEG+0.020 g/L Cl-(试验7)。

试验在室温下CHI660电化学工作站上进行,试验时溶液处于静止状态,用分析纯试剂和三次蒸馏水配制溶液。

2 结果与讨论

2.1 成核环的形成

循环伏安试验在向阴极电位方向扫描时,金属发生电沉积,如果需要过电位以成核,对应的电流密度(沉积速度)很小;而回扫没有成核过程,对应的电流密度较大,因此相同电位下的初始扫描方向的电流密度Jb低于回扫阳极方向的电流密度Ja,从而在CV曲线上形成电流环———“成核环”,通常也称为“感抗性的电流环”。成核环是判断金属电沉积是否经历成核过程的标志,也有文献将2个环交点(也就是Ja和Jb的交点)处的电位En作为成核的特征。在添加促进剂、阻化剂的酸性硫酸铜电解液体系中,Cu的CV曲线见图1。阴极过程(-0.41~1.00 V)中有2个环出现,其中电位位置较正(约-0.40~-0.62 V)的电流环为成核环[1,2,6,7],成核环由Jb与Ja曲线相交围成。Jb与Ja曲线以及成核环面积和形状取决于添加剂的作用、沉积的动力学,这些参数可以定性解析电极的表面组成状态。在相同电位下,成核环上Jb与Ja不重合表明了阴极方向扫描与阳极方向扫描电极表面组成是不同的,Jb与Ja相差越大,则表明表面不可逆程度越大。图1表明铜在不同添加剂的硫酸铜镀液中,在玻碳电极上都经历了成核过程,不过图1a和图1c成核环的位置明显不同,铜在加入阻化剂的镀液中的成核环位于不加添加剂体系成核环的阴极方向,在加入促进剂的镀液中则相反。不同添加剂作用下,Jb与Ja相差程度大不相同。

2.2 成核环揭示添加剂的作用及其原理

2.2.1 阻化剂作用下的成核环

由图1a,1b可知,PEG、MPS和PEG-Cl-分别使铜的沉积峰电位Ep从-0.702 V负移到-0.707 V,-0.725V和-0.773 V,即其会阻化Cu的电沉积,且阻化能力PEG-Cl->MPS>PEG,其中PEG的沉积电位与不加添加剂的很接近。图1b显示在加入阻化剂条件下,Cu的成核过电位越大,即Cu开始沉积的电位Eb更负,Jb线负移导致阻化剂条件下的成核环位于不加添加剂镀液得到的成核环的阴极电位方向,且PEG-Cl-成核环位于最负的位置,而MPS和PEG的成核环与不加添加剂的接近。因此,由成核环位置可知:(1)成核环位于不加添加剂成核环阴极方向时,表明添加剂是阻化剂;(2)成核环位置越负,表明阻化能力越大。

在成核环电位范围内,MPS和PEG单独作用下的Jb和Ja曲线与不加添加剂时接近,而PEG-Cl-的Jb远低于不加添加剂的,结果与文献[2]一致。这可推断MPS、PEG单独使用时,以吸附态存在于玻碳电极的表面,并且在往阳极方向扫描时容易脱附;有Cl-存在时,有复杂物质形成,而且该物质不容易脱附,如Cu的配位化合物。直到阳极过程发生前,配位化合物仍然在电极表面,参与后续的阳极过程,PEG-Cl-的阳极峰与其他三者不同,特别是与不加添加剂的不同也证实了这一点。PEG单独使用时,一般认为PEG以吸附态吸附于铜电极表面[2,8,9],由于吸附量很低,PEG的阻化能力很弱[10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20]。MPS单独使用,一方面自组装的MPS亚单分子层吸附于电极表面阻化Cu的电沉积[4,5,21,22],另一方面,除Cl-作为Cu2+的配位体外,MPS是以其衍生物硫醇类或是二硫化物的形式作为Cu2+的配位体,将Cu2+还原为Cu+[3,21]促进Cu的电沉积(见图1)。文献[3,5,14]发现Cl-不存在时,MPS吸附量不大;当Cl-存在时,PEG不能够以分子状态吸附[2],PEG与覆盖了Cl-的电极表面形成阻化膜[17,23,24,25],从而减慢了阴极反应速度。

Cu开始沉积的电位Eb和Jb的大小顺序都表明MPS-Cl-、MPS和PEG阻化Cu的电沉积,而且阻化作用PEG-Cl->>MPS>PEG。Cl-增大PEG的吸附窗口[21],只有Cl-与PEG同时添加才能够对Cu2+的还原起很大的阻化作用[10,11,12,13,26,27,28,29]。本工作通过解析成核环得到的阻化作用大小结论与文献一致。阻化剂作用下的成核环位于不加添加剂成核环的阴极电位方向,Jb曲线位置越负表明阻化剂的阻化能力(与电极表面吸附作用力)越强,Ja曲线与不加添加剂的接近,表明阻化剂的脱附能力较强。

2.2.2 促进剂作用下的成核环

MPS-PEG-Cl-,Cl-和MPS-Cl-分别使铜的沉积峰Ep从-0.702 V正移到-0.644 V,-0.619 V和-0.591 V,即Cl-及其与MPS和MPS-PEG的组合添加剂促进Cu的电沉积。如图1c所示,促进剂Cl-,MPS-Cl-,MPS-PEG-Cl-作用下,Eb稍正移,成核环则都位于不加添加剂的更正的电位方向,即添加剂下成核更容易。Jb曲线斜率很大,表明成核速度很大。Cl-条件下的成核环与不加添加剂的很接近,可以推测Cl-也是吸附于电极上,而且脱附也较容易。而在MPS-Cl-和MPS-PEG-Cl-条件下,阳极电流密度远远高于不加添加剂的,表明阳极扫描到相同电位,电极表面在有添加剂镀液中和不加添加剂的溶液中是完全不相同的,添加剂在电极表面发生了化学反应,而不是吸附,这一点从阳极过程得到证实:无添加剂镀液中,Cu的阳极溶解峰为单峰,而MPS-Cl-,MPS-PEG-Cl-镀液中阳极峰是双峰。由成核环可知,Cu开始沉积时,MPS-Cl-的促进作用大于MPS-PEG-Cl-,但是在阳极过程前,两者Ja曲线基本重合,表明此时2种镀液中电极表面的组成基本相同。MPS可以还原Cu2+,而MPS-Cl-可以大大加快Cu的电沉积,其原因在于MPS和Cl-作为Cu2+配位化合物配体之间的竞争,这种竞争改变了Cu2+还原所需电子的传递模式,变为从外层向内层。当MPS和Cl-比例适当时,MPS的还原性很强,而Cl-的导电性很强,两者在沉积位置构成了内层电子传递网,从而加快了Cu2+的还原[22,30]。虽然PEG-Cl-具有很强的阻化作用,在PEG-Cl-中加入MPS后,MPS-PEG-Cl表现为促进作用,这是因为MPS及其衍生物离子的吸附扰乱了PEG的吸附[4],PEG和MPS通过Cu+竞争与Cl-结合,发生了MPS对PEG的置换作用[30]:

因此,在MPS-Cl-和MPS-PEG-Cl-镀液中,最后都是Cu(thiolate)ad[(thiolate)ad为巯基配体]覆盖于电极表面上,这与从成核环推导的结论一致。比较图1b和1d可知,Cl-、PEG、MPS单独使用,成核环形状与不加添加剂的类似,但是Cl-与PEG、MPS或PEG-MPS同时使用,成核环形状与不加添加剂时完全不同,这说明Cl-与MPS或PEG、MPS-PEG共同作用下,对Cu的电沉积影响很大,这一点与大量的文献研究结果是一致的[4,5,30,31]。以上结论可以推广到其他金属电沉积体系。成核环可以揭示沉积反应的动力学和添加剂作用机理,不过结论只是定性的,具体机理的研究必须配合其他技术。

3 结语

(1)不同添加剂作用下,铜在玻碳电极上的CV曲线都存在“成核环”,Cu电沉积经历成核过程。

(2)PEG、MPS及PEG-Cl-阻化剂作用下的成核环位于不加添加剂成核环的阴极电位方向,位置越负,阻化能力越大。反之MPS-PEG-Cl-,Cl-和MPS-Cl-促进剂作用下的成核环位于不加添加剂成核环的正电位方向,位置越正,促进能力越强。