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专访南京大学化学化工学院赵健伟教授

2017年12月07日 作者:中国科技论文在线 浏览量:12531

  科学研究的目的和任务是什么?南京大学化学化工学院赵健伟教授用他在清洁电化学工程领域取得的一项项成果给出了明确的答案。近日,赵教授在接受中国科技论文在线专访时,介绍了目前正在开展的无氰镀银工艺和电化学微加工技术的开发工作及其在产业推广中的意义和实际问题。

  在线:请您介绍一下近期正在从事的研究工作及其现实意义。

  赵健伟:我们实验室目前开展电化学的基础研究和清洁电化学工程的新工艺研究。是一项结合了基础和应用的有意义的工作。这里说的有意义,并不是单纯的为了发表几篇学术论文,而是要将电极过程的基础研究的成果应用到清洁电化学工程中。

  清洁电化学工程中有一个重要的研究内容就是无氰镀银,它在电子电镀中应用广泛。电子电镀工业在国民经济生产中占有重要的地位。仅举两个代表性例子,其一是集成电路的引线框架,目前全球约80%的引线框架镀银是在中国生产,国内目前规模企业有30余家,其中投资额和产值在1亿元以上的约有15家。另一个例子是发光二极管(LED)框架的镀银,随着节能产品LED照明的广泛应用,目前国内生产LED支架镀银的规模企业50余家,而且数量还在不断增加。

  但是目前电子电镀工业中的镀银依然采用剧毒的氰化物,随着产能的进一步发展,污染日益严重。以产值1亿元企业为例,每个月所消耗的剧毒氰化钾大约在5吨左右。在高速电镀中,电镀液一般控制在60 ℃,镀液挥发严重,这不仅对生产中工人的身体造成极大的伤害,还对环境造成严重的污染。高浓度的含氰废水易于处理,但是生产环节中还存在大量的低浓度含氰废水,处理成本高,一些企业则采取稀释排放等不法手段,对环境造成严重污染。为了改变目前的高污染和高危的工作环境,以无氰电镀为代表的清洁电化学工艺开发、推广迫在眉睫。

  尽管目前报导了一些无氰镀银工作,但方案均不成熟,无法取代电子电镀中的氰化镀银工艺。究其原因,还在于上述无氰镀银工艺的开发中重工艺和配方的探索,缺科学问题的研究。

  经过长期的电化学基础研究和一段时间的工艺探索,我们初步确定了一套适合于电子电镀的无氰镀银工艺。该工艺具有工作效率高,镀液稳定,成本低廉等优点。在优化的条件下对铜导线、集成电路引线框架和LED框架试镀,可以得到光亮、致密的银镀层。光亮性和抗变色性能超过氰化镀银。从这些例子中可以看出,实验室探索、包括一定规模的小试取得了成功。然而具体的产业推广就变得比较困难。这主要是实验室中探索的工艺离具体产业推广还需要经过中试的放大和示范生产线的建立。而电子电镀等企业多数是民企和外企,他们对新工艺往往持有谨慎态度。所以我们一则进一步通过实验室深入细致的实验,得到更稳定可靠的工艺条件,另一方面也多方申请国家和地方的支持,力求建立产业示范线,推广无氰镀银的应用。

  清洁电化学工程中另一个重要的研究内容就是电化学批量微加工。加工的工件广泛应用于电子、军工和各种民用商品。电化学加工,没有宏观的切削力作用,只要精确地控制电流密度、电解质组成参数和电化学发生的区域,就能实现微细电化学溶解或微细电化学沉积,即可达到对材料做“加法”的微电铸/电镀和做“减法”的电化学微腐蚀/刻蚀的目的。经过优化的电化学加工工艺具有加工效率高、结构精细、表面光滑平整、内应力小、无裂纹缺陷等优点,在微加工领域中有着不可替代的优越性。

  尽管电化学微纳加工技术在批量制备微小结构和零件方面具有很大的优势,明确并没有产业化应用。就工件表面粗糙度、内应力等实际问题而言,电化学微纳加工还有很多工艺要优化,机理要阐明。对于微纳加工的工件来讲,影响其性能的主要因素是在小尺度下表面作用引起的放大效应。所以说,与界面相关的众多性质(例如表面张力, 表面吸附, 界面双电层结构等)占据了突出甚至主导的作用。这就使得原有适用于宏观世界的原理和实验技术必须在基本观点、原理以及解决问题的方法等方面做出创新或重要的修正。同时,电化学微纳加工过程中原子的沉积或溶出过程在实验上难以跟踪,所以迄今为止,从微观阐述电化学微纳制造过程和器件失效机理还有很多工作要做。


  在线:近期的研究工作获得了哪些课题的资助,这些课题在申报的过程中需要注意些什么?您有没有可供分享的成功经验?

  赵健伟:我们的科研工作以分子/纳米尺度电子传递的基础问题为主线,开展了表面电化学、扫描探针显微镜基础上的纳米电子传递、单分子电子输运和分子电子器件的制备与失效的基础研究。与此同时,我们将基础研究的成果应用到无氰镀银和电化学微加工的工程上。

  承担的项目也是以基础研究居多,这对我们研究问题带来好处,但是对成果转化还没有起到促进作用。

目前正在开展的项目包括:
1. 项目名称:生命科学中的分析新原理与新方法研究。自然科学基金创新研究群体项目。项目编号: 20821063,2009.1-2011.12),成员之一。
2. 项目名称:半导体纳米线结构调控、集成及光电器件应用基础。国家重点基础研究发展计划资助(973),科学技术部。(项目编号: 2007CB936302),成员之一。
3. 项目名称:分子整流的理论和实验研究。自然科学基金面上项目。(项目编号: 20873063,2009.1-2011.12),项目负责人。
4. 项目名称:纳米断裂的分子动力学研究。固体表面物理化学国家重点实验室开放基金。项目负责人。
5. 项目名称:仿生分子识别技术在生物医学应用的基础研究。国家重点基础研究发展计划资助(973),科学技术部。(项目编号: 2010CB732400),成员之一。
6. 项目名称:分子整流器的设计及电子输运性质研究。兰州大学功能有机分子化学国家重点实验室开放课题基金。项目负责人。
7. 项目名称:多孔固体膜中分子扩散的机理研究。材料化学工程国家重点实验室开放课题基金。(项目编号:KL10-11,2011.1-2012.12),项目负责人。
8. 项目名称:纳米线在机械冲击下失效机理的探索研究。自然科学基金面上项目。(项目编号: 51071084,2011.1-2013.12),项目负责人。
9. 项目名称:从分子水平研究界面电子传递。中央高校基本科研业务费专项资金资助。(项目编号: 1103020506,第一期和第二期,2011.1-2011.12),项目负责人。

  基金的申请,特别是面上项目是很公平的。因此除了做好自己的工作,提升自己内在的水平外没有什么值得借鉴的经验。

  在线:国内外同行在相关领域进展如何?就您掌握的情况请简要介绍。

  赵健伟:无论是基础研究还是应用工艺开发,做全新的探索更适合我们组。所以我们组无论是纳米金属材料的力学性质的研究,还是离子、小分子扩散的随机行走模拟,甚至无氰镀银和电化学微加工都具有鲜明的自主研究特色。

  在线:请您谈谈今年的研究生招收计划,对于有志报考的学生,有没有一些需要特别注意的事项,或者说是基本要求?

  赵健伟:今年将招收一名博士和一名硕士。希望能在电化学工程方面有一定基础,并愿意在这个领域接受系统训练的同学报考。