金属材料,不可避免地与空气中的氧发生化学反应而生成氧化物,这些氧化物附着在金属材料表面,会导致最终产品的表面质量恶化。氧化Oxidation,会使铜材料性能恶化,而铜材料性能对其使用至关重要,特别是半导体工业和电子光学应用。这促使大量研究探索铜氧化和可能的钝化策略。例如,原位观察表明,氧化涉及台阶表面:由于Cu吸附原子从台阶脱离并扩散穿过台阶,因此,铜氧化物Cu2O生长发生在平坦表面上。但是,即使这种机制解释了为什么单晶铜比多晶铜更耐氧化,但平坦铜表面可以不被氧化的事实,还没有进一步探索。
今日,韩国 釜山大学(Pusan National University)Se-Young Jeong团队,成均馆大学Sungkyunkwan University的Young-Min Kim团队,美国 密西西比州立大学Seong-Gon Kim团队在Nature上发文,报道了半永久抗氧化的铜薄膜制备,因其平坦的表面组成,只有偶尔的单原子台阶step edges。第一性原理计算证实,单原子台阶边缘与平坦表面一样不受氧的影响,并且一旦达到50%氧面心立方FCC表面位置覆盖率,氧原子表面吸附就被抑制。这些综合效应解释了超平坦铜Cu表面的特殊抗氧化性能。
Flat-surface-assisted and self-regulated oxidation resistance of Cu(111)
Cu(111)平整表面辅助的自调节抗氧化性能
图1:原子溅射外延atomic sputtering epitaxyASE生长单晶铜薄膜表面。
图2:单晶Cu(111)膜SCCF表面的长期抗氧化性和结构稳定性。
图3:界面结构和晶体学关系。
图4:铜表面氧化的理论分析和模型。
考虑到台阶边缘step edge易受氧化影响,因为表面台阶surface steps作为表面晶面结构surface terraces上Cu吸附原子氧化物生长的主要来源,抗氧化性要求避免表面台阶边缘。在这点上,紧密堆积的Cu(111)表面优于其他Cu晶面。
该项研究工作,实验演示了原子溅射外延atomic sputtering epitaxy(ASE)生长的单晶Cu(111)膜single-crystal Cu(111) film(SCCF),以显示紧密配位的平坦表面,可以保持半永久稳定而不被氧化。理论计算从氧原子进入铜表面结构可能途径的角度,展示了平坦铜表面的原子尺度抗氧化机制,并发现了在高氧覆盖率下的自调节保护层。这意味着单晶Cu(111)膜SCCF的原子级平坦表面,由于氧渗透的高能垒而表现出抗氧化性能,并且因高氧覆盖率而表现出自调节特性。
文献链接:https://www.nature.com/articles/s41586-021-04375-5
https://www.nature.com/articles/s41586-021-04375-5.pdf
DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-021-04375-5
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