Nano-structural and physico-chemical analysis of Pd-Sn colloidal solutions applied to the metallisation of polymers
Institution:
Lyon, INSADisciplines:
Directors:
Abstract EN:
Electrochemical deposition of metals on polymer substrates is a widely used industrial application, for example in surface finishing. The polymer surface requires a pre-treatment in order to get activated. In a first step, a thin layer of palladium-tin nano-colloids is deposited on the surface, followed by a Cu-Sn exchange step, which enhances the conductivity and enables the electrodeposition of metals like Cu. The colloids deposited in the first step from an acid suspension are supposed to have a core, which consists of a Pd-Sn alloy and a stabilising shell of tin. The size of the colloids is ~2 nm. Aim of this study is to get a deeper insight into the nature of the colloidal suspension and the adsorbed surface layers by combining different experimental techniques for a chemical and structural analysis at the nanometer scale, such as small angle X-ray scattering (SAXS), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), Cryo-electron microscopy (Cryo-TEM), high resolution transmission electron microscopy (HRTEM), Rutherford Back-Scattering (RBS) and electron energy loss spectroscopy (EELS). The colloidal solution has been characterised by SAXS and Cryo-TEM, which allowed to determine the size of the colloids and to obtain information on the stability of the solution. The crystallographic structure of the colloids in suspension has been studied with HRTEM. EELS has been used to study the chemical composition of the colloids. By focussing the electron beam to sub-nanometric spot sizes it has been possible to get very local information on the elemental composition of the colloids and to evidence a slight Sn surface enrichment. The analysis of the surface layer after each of the different steps of the plating process allowed determining the nano-structure and chemistry of the adsorbed colloidal layer and its modification during the process.
Abstract FR:
Le revêtement électrochimique de métaux sur des polymères est fréquemment réalisé dans de nombreuses applications industrielles. La surface du polymère doit pour cela subir un traitement d'activation. Dans une première étape, une fine couche de colloi͏̈des palladium-étain est déposée sur le polymère ; elle est suivie d'une étape d'échange qui consiste à échanger des atomes d'étain par des atomes de cuivre pour accroître la conductivité de surface et rendre alors possible l'électrodéposition d'un métal comme le cuivre par exemple. Les colloi͏̈des déposés sont produits dans une suspension acide. Leur taille est voisine de 2 nm et ils sont supposés avoir un cœur constitué d'un alliage Pd-Sn entouré d'une peau riche en étain. Le but de notre étude est d'approfondir la nature physico-chimique des suspensions colloi͏̈dales et des couches adsorbées en surface d'un polymère en combinant plusieurs techniques de caractérisation microstructurales fines comme la diffusion centrale de rayons X (SAXS), la cryo-microscopie électronique, la microscopie électronique à haute résolution (METHR), la spectroscopie de rayons X (EDX) et photoélectrons (XPS), la rétrodiffusion (RBS) et la spectroscopie de pertes d'énergie des électrons transmis (EELS). Les deux premières techniques ont donné des informations sur la valeur et la distribution des tailles des colloi͏̈des ainsi que sur la stabilité des solutions. La nature cristallographique des colloi͏̈des a été appréhendée par METHR tandis que la composition chimique à l'échelle atomique a été obtenue par EELS en mode nano-sonde. C'est ainsi que nous avons validé un enrichissement superficiel en étain des colloi͏̈des. Les analyses des couches déposées en surface des polymères après chacune des étapes du procédé de métallisation, ont permis d'appréhender l'évolution de la nano-structure et de la chimie des couches colloi͏̈dales au cours de leur élaboration.