电沉积金属的形态与结构是电沉积过程中的一项重要研究内容。以下是对电沉积金属的形态与结构的详细分析：

电沉积金属的晶体结构主要取决于沉积金属本身的晶体学性质。然而，它的表面形态和结构的形成主要取决于电沉积条件。金属电沉积和气相沉积、溶液结晶、熔体结晶有许多类似之处。因此，在讨论电结晶时使用的基本概念，如表面扩散、高指数晶面生长、二维成核、螺旋位错等，都是从这些领域中引用来的。但是，电结晶和其他结晶还是有很大区别的，这就构成了电沉积金属在组织结构和性能上的特点。这种区别主要是在电极表面存在阴离子、水分子或溶剂化吸附离子(而不是吸附原子)的吸附层及双电层电场；其次是表面上的吸附粒子在并入点阵之前与基体的相互作用有本质不同，不仅有电化学条件下的吸附离子代替吸附原子，而且有金属和溶剂的交互作用；同时，由于溶液中离子的扩散速度小于气相中原子的扩散速度，所以扩散控制的可能性增大。这些区别，从本质上来说是电势对金属表面自由能的影响和表面存在阴离子的接触吸附造成了电结晶的各种形态和结构。

电结晶的主要形态

在电结晶的早期研究中，非常注重描述晶体生长的各种形态。早期是采用显微镜观察，后来使用干涉相衬显微镜和偏振光测量技术，目前主要是采用扫描电子显微镜进行观察，得到了大量的金属沉积层的特殊形貌。从大量资料中，可归纳出下面几种主要形态：

图1  电结晶的主要形态a)层状b)金字塔状c)块状(1)层状(见图1a)这种形态的台阶平均高度达到50nm左右就可观察到，有时每层还包含许多微观台阶；(2)金字塔状(棱锥状，见图1b)这是在螺旋位错的基础上，并考虑到晶体生长的对称性而得到的。棱锥的对称性与基体的对称性有关，锥面似乎不是由高指数晶面构成，而是由宏观台阶构成，锥体的锥数不定。(3)块状(见图1c)块状相当于截头的棱锥，截头可能是杂质吸附阻止晶体生长的结果。截头棱锥向横向生长也会发展成为块状

图2 电结晶的主要形态d)屋脊状e)立方层状f)螺旋状(4)屋脊状(见图2d)屋脊状是在吸附杂质存在的条件下，层状生长过程中的中间类型。如果加入少量表面活性剂，屋脊状可以在层状结构的基础上发展起来。(5)立方层状(见图2e)立方层状是介于块状和层状之间的一种特殊结构。6)螺旋状(见图2f)螺旋形是指顶部的螺旋形排布，它可以作为带有分层的棱锥体出现。台阶高度约10nm，台阶间隔一般为1～10nm，而且随着电流密度的减小而增大。

图3 电结晶的主要形态g)晶须状h)枝晶(7)晶须状(见图3g)晶须是一种长的线状单晶体，在相当高的电流密度下，特别是当溶液中存在有机物的条件下容易形成。8)枝晶(见图3h)枝晶是一种针状或树枝状结晶，它常常从低浓度的简单金属盐和熔融盐镀液中得到。当镀液中有特性吸附的阴离子存在时，也容易获得枝晶。枝晶的主干和分支平行于点阵低指数方向，它们之间的夹角是一定的。枝晶可以是二维的，也可以是三维的。不同的金属，其结晶形态与其电沉积条件的关系是不同的。有人提出了电流密度和超电势对铜电结晶过程的影响，即当电流密度和超电势增大时，铜电结晶形态的转变方式为：屋脊状→层状→块状→多晶体。一般认为，枝晶的产生是在扩散控制条件下，电沉积时晶核的数目本来就不多，从而形成了粗晶。当达到极限电流密度时，阴极表面附近的溶液中缺乏放电离子，于是只有放电离子能达到的部分晶面才能继续生长，而另一部分晶面却被钝化，结果便形成了枝晶。例如，在无表面活性剂的硫酸盐镀液中电镀锡和电镀铅，以及在正常镀液中使用过高的电流密度时，都容易产生枝晶。

电镀的外延与结晶的取向

在一种金属基体上电沉积同一种金属时，通电后的最初一段时间内，由于被沉积的金属原子在基体表面力场的作用下优先进入基体表面上现成的晶格位置，故所形成的镀层可以与基体的结晶取向完全一致。若是一种金属电沉积在另一种金属基体上，在通电的初始阶段，同样也会出现镀层沿袭着基体晶格生长的现象，这就是通常所说的外延。实验结果表明，在被沉积的金属与基体金属的晶格参数差别不足15%时，就容易发生外延生长。通常，这种外延生长的延伸厚度可达100nm。外延持续时间的长短与电结晶过程中出现的位错有关。在电沉积过程中，任何引起镀层中产生位错的因素，都会促使外延生长提早结束。随着电沉积过程的延续，不管基体金属的结晶学性质如何，镀层终归会由外延生长转变为由无序取向的晶粒构成的多晶沉积层。在这种多晶沉积层继续生长的过程中，新形成的沉积层将有相当数量的晶粒出现相同的特征性取向，即出现了通常所说的择优取向。各晶粒的三根晶轴中，若有一根与参考坐标系具有固定的关系，如在晶粒中存在着一根垂直于基体表面的晶轴(择优取向轴)，则可形成一维取向。如果择优取向轴不只一根，则随着镀层厚度的不同，择优取向轴可由一个晶轴转变为另一个晶轴。镀层的结构是在金属电沉积过程中形成的，电沉积的具体条件(镀液组分、pH值、电流密度、温度、电流波形、电极转速等)自然会对镀层的结构有影响。例如，在硫酸盐溶液中电镀锌时，随着H₂SO₄与ZnSO₄含量之比由小变大，镀层的择优取向轴将发生显著变化。明胶等胶体物质加入镀液中后，也会对镀锌层的择优取向轴有明显影响。在普通电镀镍溶液中，于较低电流密度下电镀镍时，择优取向轴为(110)；随着电流密度的提高，择优取向轴将发生变化，而且这种变化与镀液pH值有关，若pH值小于2.5，择优取向轴为(100)，而pH值大于2.5后，择优取向轴转变为(211)；随着电流密度的进一步提高，pH值小于2.5时，晶粒按(210)晶向择优取向，若pH值大于2.5，则变成以(100)为择优取向轴。此外，将1，4-丁炔二醇加入到电镀镍液中，也会使镀镍层的择优取向轴发生显著变化。

以上是电沉积金属的形态与结构的内容介绍，主要从电结晶的主要形态和电镀的外延与结晶的取向进行讲解，通过对其内容的阅读，可以对电沉积金属的形态与结构有了进一步的了解。

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