Investigation of the kinetics of zinc and antimony deposition from a common electrochemical bath

ZnSb is an intermetallic alloy characterized by specific thermovoltaic and thermoelectric properties. Synthesis using electrochemical methods creates the possibility of precise control of the composition, morphology and crystal structure of the obtained material. To conduct successfully the optimization of the ZnSb preparation method, it was necessary to study the deposition kinetics of the zinc and antimony from a common electrochemical bath. The following techniques were used for this purpose: linear voltammetry (LSV) and chronoamperometry (ChA). LSV measurements allowed to determine the range of potentials, in which the deposition of zinc and antimony occurs. Based on two dependencies, i.e., the dependence of the peak current density on the scan rate, and the current density on the square root of the scan rate, information on the processes limiting Sb and Zn electrodeposition was obtained. The influence of the potential of the working electrode, electrolyte concentration and agitation on the morphology of Zn and Sb metallic layers were also analyzed. In the case of co-deposition of both components, bath composition and the value of deposition potential were modified, the influence of electrolyte agitation on the morphology and chemical composition of the obtained layers were also investigated. The synthesis of ZnSb film, at the potential of working electrode -1,4 V vs. Ag/AgCl (3 M KCl) using a bath with equal content of ZnCl2 and SbCl3, leads to the formation of a layer with the most preferred percentage atomic ratio Zn/Sb equal to 0.7. The obtained results undoubtedly are the motivation for further optimization of the synthesis method of the stoichiometric ZnSb.

ZnSb jest stopem intermetalicznym, charakteryzującym się szczególnymi właściwościami termofotowoltaicznymi i termoelektrycznymi. Synteza metodami elektrochemicznymi stwarza możliwość precyzyjnej kontroli składu, morfologii oraz struktury krystalicznej otrzymywanego materiału. Aby z powodzeniem przeprowadzić optymalizację metody otrzymywania ZnSb konieczne było zbadanie kinetyki osadzania cynku i antymonu ze wspólnej kąpieli elektrochemicznej. Do tego celu wykorzystano techniki liniowej woltamperometrii (LSV) oraz chronoamperometrię (ChA). Pomiary LSV pozwoliły na wyznaczenie zakresu potencjałów, 
w którym możliwe jest osadzanie cynku i antymonu. Dzięki wykreślonym zależnościom gęstości prądu od szybkości skanowania oraz gęstości prądu od pierwiastka z szybkości skanowania, uzyskano informacje na temat procesów limitujących szybkość procesu elektroosadzania Sb i Zn. Przeanalizowano również wpływ potencjału, stężenia soli oraz mieszania elektrolitu na morfologię metalicznych warstw Zn i Sb. W przypadku współsadzania obu składników, modyfikowano skład kąpieli i wartość potencjału osadzania, sprawdzono również wpływ mieszania elektrolitu na morfologię oraz skład chemiczny otrzymywanych warstw. Podczas syntezy przy zastosowaniu potencjału -1,4 V vs. Ag/AgCl (3 M KCl), w kąpieli o równych zawartościach ZnCl2 i SbCl3 otrzymano warstwę o najbardziej korzystnym procentowym stosunku atomowym Zn/Sb równym 0,7. Uzyskane wyniki niewątpliwie stały się motywacją do dalszej optymalizacji metody otrzymywania stechiometrycznego ZnSb.