{首页主词},&

解決銅不被氧化發了一篇Nature

2022-03-28 13:51:59 作者：材料人來源：材料人分享至：

【導讀】

眾所周知，氧化會嚴重損害銅的性能，這對其應用而言幾乎是致命的，特別是在半導體和電子光學領域。截止目前，已有大量探索銅的氧化和鈍化的研究。原位觀測表明，銅氧化主要發生在含有臺階的表面：即Cu吸附原子從臺階脫離，然后擴散并穿過平臺，進而導致了Cu2O在平面的生長。這一機制可以解釋單晶銅比多晶銅更耐氧腐蝕，但不被氧腐蝕的平整的銅表面尚未實現制備，當然，我們可以想象，如果有那么一種銅，它對氧分子的進攻能“面不改色心不跳”，豈不是絕佳？

【成果掠影】

圖源：Pusan National University

3月16日，來自韓國釜山大學的Se-Young Jeong，成均館大學的Young-Min Kim，以及美國密西西比州立大學的Seong-Gon Kim國際團隊制備了一種具有半永久抗氧化特性的銅薄膜，它具有平坦的（111）表面，偶見少量的單原子臺階。第一性原理計算表明，單原子臺階邊緣與平坦表面一樣不受氧的影響，并且一旦氧覆蓋50%的面心立方表面位點時，O原子的吸附就能被有效抑制。單原子臺階邊緣與（111）平坦表面的綜合效應使得具有（111）平坦表面的Cu具有非常優異的半永久抗氧化性能。相關研究以“Flat-surface-assisted and self-regulated oxidation resistance of Cu（111）”為題發表在國際頂刊Nature上。

【核心創新點】

√發明了高度可控的原子濺射外延法（ASE）制備了具有平坦的（111）表面，并偶見少量單原子臺階的銅薄膜；

√銅薄膜具有優異的抗氧化性

【數據概覽】

圖1 ASE生長的單晶銅薄膜表面；a. 在[110]取向下觀察到的銅薄膜表面區域的HRTEM圖像。同時，給出了模擬的碳-銅超級單體的HRTEM圖像和相應的模型；b，c. HRTEM圖像的平面內（Exx）和平面外（Eyy）應變場圖。在每張圖中， GPA選擇的Cu參考區域由白色方框標記，為了清晰起見，碳膜部分的復雜圖案用灰色遮蓋，這與SCCF的應變行為無關；d. （111）層間距沿面外方向實驗和模擬的強度對比；e.銅薄膜表面區域的ADF-STEM和ABF-STEM圖像 ? 2022 Springer Nature

圖2 SCCF表面具有長期的抗氧化性和結構穩定性；a, SCCF樣品在室溫下暴露于環境空氣中1年左右的BF-TEM圖像（上）。結果表明，整個SCCF薄膜表面的原子形貌基本保持不變。1年的SCCF樣品（底部）表面區域的HRTEM圖像（頂部面用紅色矩形標記）。樣品的晶帶軸方向為[110]；b.（111）平面的強度分布對比；c. EBSD圖顯示沿（111）平面的完美排列；e.與（111）平面相關聯的反極圖，插圖為所選區域的放大圖像；3年SCCF樣品HRTEM圖像，通過GPA獲得的3年SCCF樣品在[110]方向（上）、面內（Exx，中）和面外（Eyy，下）應變場圖；f. 區域1（上）、區域2（中）和兩個區域（下）的FFT圖；g.不同表面粗糙度的PCCF和SCCF樣品的熱重分析 ? 2022 Springer Nature

圖3 界面結構和晶體關系；a.具有（111） Cu [11-2] Cu //（001） Al2O3 [110] Al2O3異質界面的HRTEM圖；b. HRTEM圖像中Cu和Al2O3區域的FFT組合圖；c. a圖中虛線框標記區域的放大HRTEM圖像；d. Cu-Al2O3異質界面的ABF-STEM圖像和疊加原子模型；e. d中Cu與Al2O3界面的反向強度分布圖；f. Cu - Al2O3異質界面HRTEM圖像，插圖是HRTEM圖像的FFT；導出的外延模型的側視圖（g）和平面圖（h）Cu生長在Al2O3襯底上 ? 2022 Springer Nature

圖4 銅表面氧化的理論分析和模型；a, O原子沿不同路徑穿透的能量分布圖；b. 從Cu（111）表面進入Cu基體的第一個間隙層（黑實心圓）；c. 從Cu基體的第一層到第二層的間隙層（黑圓）；d. 從單原子臺階邊緣的外部到內部（紅色實心圓）；e. 從雙原子臺階躍邊的外部到內部（藍色方塊）；f. 從三原子臺階躍邊緣的外側到內側（粉色方塊）；藍色球體代表基體中的銅原子，綠色球體代表臺階中的銅原子，深藍色球體代表臺階邊緣上的銅原子。橙色球代表吸附的O原子，紅色球代表滲透到空隙區域的O原子；f圖表示邊緣原子多個步驟的氧化：（1）原始的臺階邊緣和周圍的氧氣條件，（2）兩個O原子（橙色球）吸附在Cu邊緣（Cu-1，深藍色球）的每一側；（3）第三個O原子（O-2，紅色球體）的吸附使Cu-1的局部結構與單層Cu2O中的Cu相似，體積的膨脹使Cu-1向上移動，為O-2打開了通道；（4） O-2通過開口，與下一行的Cu原子結合，將Cu原子向上推，維持氧化過程；g, Cu（111）表面催化裂化中心氧覆蓋量對O原子吸附能的影響。a和g中的紅色和藍色陰影分別代表吸熱和放熱反應 ? 2022 Springer Nature

【成果啟示】

該研究成功揭開了銅薄膜抗氧化性的“神秘面紗”！為制備具有優異抗氧化Cu薄膜的提供了理論基礎。這種具有（111）平坦表面的Cu薄膜有力的推動了半導體和電光工業應用工業的發展。Se-Young Jeong教授在接受采訪時指出“Oxidation-resistant Cu could potentially replace gold in semiconductor devices, which would help bring down their costs. Oxidation-resistant Cu could also reduce electrical consumption, as well as increase the lifespan of devices with nanocircuitry.”確實，如果未來能實現工業級的可控制備，能代替廣為使用的金，則必然大幅降低半導體器件的成本。

免責聲明：本網站所轉載的文字、圖片與視頻資料版權歸原創作者所有，如果涉及侵權，請第一時間聯系本網刪除。