Electrochemical evaluation of the porosity of sputtered titanium films on copper with and without modification by low energy high current pulsed electron beam treatment

This thesis is a study of the porosity of titanium films deposited by magnetron sputtering (MS) on a copper substrate, and of the effect that a low energy high current pulsed electron beam treatment has on it. The deposition of titanium on copper is made to create a wear-resistant coating and to impart corrosion resistance to the underlying metal. Achieving a compact and low porosity film is apparently a key requirement for such combination of coating and substrate materials. In the present work, we explore in particular the viability of this approach to fabricate Dimensionally Stable Anodes (DSA), such as for chlorine evolution, which is ostensibly a demanding application and therefore a tough test to assess the proposed process. Low Energy High Current Electron Beam (LEHCEB) is a surface modification technique based on the use of an intense pulsed electron beam. In this work, we use LEHCEB in combination with MS in the attempt to improve the control over the residual porosity of the titanium films. Thin films of titanium of variable thickness were prepared by MS and by alternating sputter deposition and pulsed electron beam irradiation. The porosity of the films was assessed by electrochemical methods as a function of the thickness and of the deposition cycle in a dilute sulfuric acid electrolyte. The results of this investigation show that pulsed electron beam irradiation is a valuable processing solution to reduce the porosity of sputter deposited titanium. The Cu/Ti samples were used as a substrate for the fabrication of DSA like electrodes for chlorine evolution. Accelerated testing of these electrodes in acidic NaCl electrolytes confirmed that by the devised process it is possible to fabricate electrodes achieving performance result similar to DSA type electrodes fabricated using titanium plates following a conventional procedure.

Questo lavoro è uno studio della porosità di film di titanio depositati su rame mediante magnetron sputtering (MS) e dell’effetto di un trattamento a fascio di elettroni pulsato a bassa energia ed elevata corrente su questa proprietà dei depositi. La deposizione di titanio su rame è pensata per creare rivestimenti resistenti all'usura e conferire resistenza a corrosione al metallo sottostante. È chiaro che ottenere film compatti e a bassa porosità intrinseca è un requisito essenziale per una combinazione di materiali quale quella titanio su rame. In questo lavoro, si vaglia la validità di questo approccio in particolare nella fabbricazione di elettrodi del tipo a stabilità dimensionale, DSA, secondo l’acronimo anglosassone, per l’evoluzione di cloro in soluzione di NaCl. Si tratta di un’applicazione decisamente impegnativa e quindi di una prova molto severa per l’idea proposta in questo lavoro. L’irraggiamento con fascio di elettroni a bassa energia e alta corrente (LEHCEB) è una tecnica di modificazione superficiale che si basa sull’impiego di un fascio di elettroni pulsato ad elevata intensità e brevissima durata. In questo lavoro, utilizziamo LEHCEB in combinazione con la deposizione MS con l’intento di migliorare il controllo sulla porosità residua dei film di titanio. Si sono realizzati film di titanio a vario spessore con e senza il ricorso al fascio elettronico in cicli alterni di deposizione e irraggiamento pulsato. La porosità dei film è stata valutata mediante tecniche elettrochimiche in funzione dello spessore e del ciclo di deposizione in una soluzione diluita di acido solforico. I risultati di questo studio mostrano che l’irraggiamento con fascio di elettroni pulsato è una soluzione di processo efficace nel ridurre la porosità di film di titanio da deposizione MS. I campioni di rame rivestito titanio sono stati usati come substrato di elettrodi del tipo DSA per l’evoluzione di cloro. Si sono eseguite prove accelerate di elettrolisi in soluzione acida di NaCl per valutare il comportamento di questi elettrodi. Le prove hanno confermato che mediante il processo messo a punto è possibile fabbricare elettrodi che eguagliano il comportamento di elettrodi DSA preparati in laboratorio secondo una procedura ordinaria.