The first part of this dissertation highlights the contents of the electrochemical characterization of Cu and its electroplating on Ru-based substrates. The growth of Ru native oxide does diminish the efficiency of Cu plating on Ru surface. However, the electrochemical formed irreversible Ru hydrate dioxide (RuOxHy) shows better coverage of Cu UPD. The conductive Ru oxides are directly plateable liner materials as potential diffusion barriers for the IC fabrication. The part II of this dissertation demonstrates the development of a new rapid corrosion screening methodology for effective characterization Cu bimetallic corrosion in CMP and post-CMP environments. The corrosion inhibitors and antioxidants were studied in this dissertation. In part III, a new SEC methodology was developed to study the ORR catalysts. This novel SEC cell can offer cheap, rapid optical screening results, which helps the efficient development of a better ORR catalyst. Also, the SEC method is capable for identifying the poisoning of electrocatalysts. Our data show that the RuOxHy processes several outstanding properties of ORR such as high tolerance of sulfation, high kinetic current limitation and low percentage of hydrogen peroxide.

A deposição em regime de subtensão (DRS) de cádmio e chumbo foi estudada sobre ouro e filmes de selênio em meio ácido. Os estudos foram realizados utilizando a voltametria cíclica (VC) e a microbalança eletroquímica de cristal de quartzo (MECQ). Foi observado que o cádmio e o chumbo se depositam de formas diferentes sobre ouro e sobre os filmes de selênio. O cádmio quando depositado sobre o eletrodo de ouro ocupa um átomo de ouro por ad-átomo, fornecendo uma carga associada à formação da monocamada adsorvida de aproximadamente 42 µC cm-2, que corresponde a um recobrimento de 0,15 monocamadas. Os resultados com a MECQ mostraram que a deposição em regime de subtensão do Cd ocorre com uma forte presença da adsorção de ânions perclorato e bissulfato. A DRS de cádmio sobre os filmes de selênio ocorre de maneira semelhante a que foi observada sobre o eletrodo de ouro, porém a carga total da monocamada adsorvida foi de 195,7 µC cm-2, que é um pouco maior do que a carga total para a formação de uma monocamada de selênio sobre ouro. Além disso, foi observado que o cádmio difunde no filme de selênio, e que a co-adsorção de ânions e água durante a formação da monocamada de cádmio foi negligenciável. O ad-átomo de chumbo ocupa dois átomos de ouro e a carga de formação da monocamada é atribuída a contribuições de dois picos relacionados com a DRS. O recobrimento máximo chega a 0,3 monocamadas de chumbo sobre ouro, com a deposição do tipo loosely packed. O processo de DRS sobre os filmes de selênio ocorre com a formação de um único pico. A formação do segundo pico sofre interferência da formação de H2Se que ocorre na superfície do filme de selênio e modifica o tipo de empacotamento dos ad-átomos de chumbo sobre o substrato eletródico. O recobrimento obtido com a DRS foi de 0,7 monocamadas de chumbo sobre selênio. A co-adsorção de ânions e água foi constante, tanto em estudos sobre o eletrodo de ouro, como sobre os filmes de selênio. O estudo das propriedades dos filmes de selênio modificados por ad-átomos de cádmio e chumbo foi efetuado por medidas de cronoamperometria para altos tempos de polarização. Foi observado que o cádmio difunde para a fase do filme de selênio, em função do seu alto coeficiente de difusão no estado sólido, formando o composto CdSe. Por outro lado, este processo de difusão não foi observado para o chumbo, não havendo evidências de formação do composto PbSe. A combinação da voltametria cíclica com a microbalança eletroquímica de cristal de quartzo possibilitou acompanhar as mudanças nos mecanismos de formação de monocamadas de cádmio e chumbo em potenciais de subtensão, assim como a inibição da formação do H2Se. Este último efeito foi marcante na DRS de chumbo, onde foi alterada a forma de empacotamento do ad-átomo na superfície. / Cd and Pb underpotential deposition (UPD) on gold electrode and selenium thin film, from acid media, were studied using cyclic voltammetry (CV) and electrochemical quartz crystal microbalance (EQCM). Different form of deposition for cadmium and lead were observed on gold electrode and selenium thin film. The presence of one peak in the positive sweep with a total charge density value between 42 60 µC cm-2 was observed from the results obtained for Cd upd on Au. This result is attributed to a covering of 0.15 0.20 Cd monolayer on gold electrode with the occupation of one active site by each Cd ad-atom. EQCM results suggest a large increase in mass upon Cd upd, which appears to result from co-adsorbed perchlorate and bisulfate anions. The upd of cadmium on the selenium films were similar to the observed on the gold electrode; however with a higher associated charge of 196 µC cm-2. Moreover, the cadmium upd process on selenium is accompanied by the diffusion of cadmium into the bulk of Selenium films. Also, the co-adsorption of anions and water during cadmium deposition on Selenium films were negligenceable. The UPD process of Pb ad-atoms on gold electrodes occurs with the occupation of two gold atoms for ad-atom ones. Two electrochemical processes are observed and the charge values were conferred a low covering the 0.3 monolayer, with a wrapping up of the type loosely packed. The co-adsorption of perchlorate anions and water were observed during UPD process. The UPD process of Pb ad-atoms on the selenium films is complex, and the formation of H2Se modifies the type of wrapping up of lead ad-atoms on the electrode surface. In this case, that the gotten covering were 0.7 monolayer of lead on selenium, were observed the co-adsorption of anions and water in this UPD process. During the studies carried through for cronoamperometry in high times of polarization (UPD potentials) on the Se films were observed that the cadmium spreads out for the phase of the selenium film. This phenomenon occurs due to the high coefficient of diffusion in the solid state of the Cd, allowing the formation of the CdSe. On the other hand, this process of diffusion was not so evident for the lead, that presents a low coefficient of diffusion in the solid state, and thus, do not support the formation of PbSe. The UPD studies by cyclic voltammetry combined with electrochemical quartz crystal microbalance measurements allowed to observe the changes in the monolayers formation mechanisms of cadmium and lead, as well as the inhibition of H2Se formation. This effect was found in the lead UPD, where was modified the form of packing up of the adatom in the surface.

Le mercure est un élément reconnu pour sa toxicité pour les êtres humains, pouvant être notamment la cause de maladies neurologiques ou rénales une fois absorbé dans l'organisme. Il est rejeté dans l'environnement, et en particulier dans les eaux de surface, par des phénomènes naturels comme le volcanisme, mais également par le biais des activités humaines liées à l'industrie. Une fois rejeté, il est ingéré par la faune et la flore marine et bioaccumule tout le long de la chaîne alimentaire. Il est alors présent dans les espèces marines prédatrices dans des proportions importantes, mettant en danger la santé de ces espèces animales et exposant les êtres humains à des quantités importantes de mercure dans l'alimentation. La législation Européenne est très stricte en ce qui concerne les taux de mercure autorisés dans les eaux et se base sur des valeurs relevant de la trace voir de l'ultra trace. Les techniques actuelles permettant de détecter de si faibles doses sont efficaces mais possèdent de nombreux inconvénients tel que leur coût ou l'impossibilité de faire des mesures in situ. Les capteurs électrochimiques sont actuellement l'une des alternatives les plus prometteuses pour la détection de ce métal lourd en solution. L'objectif de ces travaux a donc été de mettre au point un capteur électrochimique basé sur la fonctionnalisation d'une électrode en carbone vitreux par des couches organiques et des nanoparticules d'or pour la détection du mercure. Deux types de couches organiques ont été utilisées et les interfaces ainsi développées caractérisées par voltammétrie cyclique et Microscopie Électronique à Balayage. Deux protocoles d'activation des nanoparticules ont été testés. Les performances des interfaces ont été évaluées au regard de la détection de traces de mercure, ainsi que leur stabilité au stockage. / Mercury is known for its toxicity on human beings, causing neurological and kidney diseases when absorbed in the body. It is rejected in the environment, and especially in surface waters, through natural processes like volcanism and human industrial activities. When present in water, it is ingested by marine plants and wildlife and bioaccumulates all along the food chain. It is then present in high proportions in marine predators, jeopardizing their health and exposing human beings to important mercury quantities in the food supply. The European legislation is very strict regarding to allowed mercury levels in waters, and is based on very low values, from traces to ultra traces. Current techniques able to detect such small doses are efficient but suffer from numerous drawbacks like their cost or the impossibility to use them for in situ measurements. Electrochemical sensors appear to be one of the most interesting alternatives for detection of this heavy metal in aqueous solution. The aim of this work was then to develop an electrochemical sensor based on the functionalization of a glassy carbon electrode with organic layers and gold nanoparticles for mercury detection. Two types of organic layers were used and the interfaces were characterised by using cyclic voltammetry and Scanning Electron Microscopy. Two different gold nanoparticles activation processes were tested. The interfaces performances were evaluated for detection of traces of mercury, as well as their storage stability.

A deposição em regime de subtensão (DRS) de cádmio e chumbo foi estudada sobre ouro e filmes de selênio em meio ácido. Os estudos foram realizados utilizando a voltametria cíclica (VC) e a microbalança eletroquímica de cristal de quartzo (MECQ). Foi observado que o cádmio e o chumbo se depositam de formas diferentes sobre ouro e sobre os filmes de selênio. O cádmio quando depositado sobre o eletrodo de ouro ocupa um átomo de ouro por ad-átomo, fornecendo uma carga associada à formação da monocamada adsorvida de aproximadamente 42 µC cm-2, que corresponde a um recobrimento de 0,15 monocamadas. Os resultados com a MECQ mostraram que a deposição em regime de subtensão do Cd ocorre com uma forte presença da adsorção de ânions perclorato e bissulfato. A DRS de cádmio sobre os filmes de selênio ocorre de maneira semelhante a que foi observada sobre o eletrodo de ouro, porém a carga total da monocamada adsorvida foi de 195,7 µC cm-2, que é um pouco maior do que a carga total para a formação de uma monocamada de selênio sobre ouro. Além disso, foi observado que o cádmio difunde no filme de selênio, e que a co-adsorção de ânions e água durante a formação da monocamada de cádmio foi negligenciável. O ad-átomo de chumbo ocupa dois átomos de ouro e a carga de formação da monocamada é atribuída a contribuições de dois picos relacionados com a DRS. O recobrimento máximo chega a 0,3 monocamadas de chumbo sobre ouro, com a deposição do tipo loosely packed. O processo de DRS sobre os filmes de selênio ocorre com a formação de um único pico. A formação do segundo pico sofre interferência da formação de H2Se que ocorre na superfície do filme de selênio e modifica o tipo de empacotamento dos ad-átomos de chumbo sobre o substrato eletródico. O recobrimento obtido com a DRS foi de 0,7 monocamadas de chumbo sobre selênio. A co-adsorção de ânions e água foi constante, tanto em estudos sobre o eletrodo de ouro, como sobre os filmes de selênio. O estudo das propriedades dos filmes de selênio modificados por ad-átomos de cádmio e chumbo foi efetuado por medidas de cronoamperometria para altos tempos de polarização. Foi observado que o cádmio difunde para a fase do filme de selênio, em função do seu alto coeficiente de difusão no estado sólido, formando o composto CdSe. Por outro lado, este processo de difusão não foi observado para o chumbo, não havendo evidências de formação do composto PbSe. A combinação da voltametria cíclica com a microbalança eletroquímica de cristal de quartzo possibilitou acompanhar as mudanças nos mecanismos de formação de monocamadas de cádmio e chumbo em potenciais de subtensão, assim como a inibição da formação do H2Se. Este último efeito foi marcante na DRS de chumbo, onde foi alterada a forma de empacotamento do ad-átomo na superfície. / Cd and Pb underpotential deposition (UPD) on gold electrode and selenium thin film, from acid media, were studied using cyclic voltammetry (CV) and electrochemical quartz crystal microbalance (EQCM). Different form of deposition for cadmium and lead were observed on gold electrode and selenium thin film. The presence of one peak in the positive sweep with a total charge density value between 42 60 µC cm-2 was observed from the results obtained for Cd upd on Au. This result is attributed to a covering of 0.15 0.20 Cd monolayer on gold electrode with the occupation of one active site by each Cd ad-atom. EQCM results suggest a large increase in mass upon Cd upd, which appears to result from co-adsorbed perchlorate and bisulfate anions. The upd of cadmium on the selenium films were similar to the observed on the gold electrode; however with a higher associated charge of 196 µC cm-2. Moreover, the cadmium upd process on selenium is accompanied by the diffusion of cadmium into the bulk of Selenium films. Also, the co-adsorption of anions and water during cadmium deposition on Selenium films were negligenceable. The UPD process of Pb ad-atoms on gold electrodes occurs with the occupation of two gold atoms for ad-atom ones. Two electrochemical processes are observed and the charge values were conferred a low covering the 0.3 monolayer, with a wrapping up of the type loosely packed. The co-adsorption of perchlorate anions and water were observed during UPD process. The UPD process of Pb ad-atoms on the selenium films is complex, and the formation of H2Se modifies the type of wrapping up of lead ad-atoms on the electrode surface. In this case, that the gotten covering were 0.7 monolayer of lead on selenium, were observed the co-adsorption of anions and water in this UPD process. During the studies carried through for cronoamperometry in high times of polarization (UPD potentials) on the Se films were observed that the cadmium spreads out for the phase of the selenium film. This phenomenon occurs due to the high coefficient of diffusion in the solid state of the Cd, allowing the formation of the CdSe. On the other hand, this process of diffusion was not so evident for the lead, that presents a low coefficient of diffusion in the solid state, and thus, do not support the formation of PbSe. The UPD studies by cyclic voltammetry combined with electrochemical quartz crystal microbalance measurements allowed to observe the changes in the monolayers formation mechanisms of cadmium and lead, as well as the inhibition of H2Se formation. This effect was found in the lead UPD, where was modified the form of packing up of the adatom in the surface.

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El conocimiento de las características interfaciales es de suma importancia para poder desarrollar materiales que sean capaces de dar lugar a reacciones electrocatalíticas eficientes. Por esta razón, en esta tesis se muestran diferentes estudios interfaciales sobre superficies monocristalinas de platino y cobre en diferentes electrolitos. Además se estudian las características de la interfase electrodoldisolución con superficies de platino modificadas con adátomos de hierro, cobalto y níquel. Para ello, se han empleado las técnicas de voltametría cíclica, espectroscopía infrarroja con transformada de Fourier, desplazamiento de carga con CO y salto de temperatura inducido por láser. Los resultados muestran cómo varía el campo eléctrico interfacial disminuye al aumentar el recubrimiento de hierro y níquel en la superficie de platino. Este efecto tiene un gran impacto en la reacción de evolución de hidrógeno, ya que la mejora electrocatalítica de esta reacción está relacionada con la energía de reorganización de las moléculas de agua, la cual, depende de la fortaleza del campo eléctrico interfacial. Los estudios realizados en medio alcalino para las diferentes superficies de cobre y platino sin modificar muestran una correlación entre el potencial de máxima entropía y las funciones de trabajo para cada una de las diferentes orientaciones atómicas superficiales. Por otro lado, debido a la aplicabilidad de las nanopartículas en los sistemas reales de conversión de energía, se realizaron experimentos de sincrotrón empleando la técnica de Bragg coherent difraction imaging con el objetivo de estudiar el deterioro de las nanopartículas en condiciones operando.