Плоская медная поверхность не окислилась за год

Микрофотография медной пленки на поверхности оксида алюминия

Jeong et al. / Nature, 2022

Химики из Южной Кореи приготовили тонкие пленки из меди с очень плоской и гладкой поверхностью практически без дефектов. Оказалось, что такие пленки на подложке из оксида алюминия очень устойчивы к окислению, и даже после нахождения на воздухе в течение одного года поверхность пленок практически не изменилась. Исследование опубликовано в Nature.

Поверхности многих металлов окисляются под действием кислорода воздуха при комнатной температуре. В случае меди это легко заметить невооруженным глазом — ярко-красная поверхность может стать грязно-зеленой за несколько лет. И химики ищут способы замедлить окисление медных поверхностей — оно мешает производству полупроводников и оптоэлектронных устройств, содержащих медь.

Механизм окисления меди выяснили в 2012 году. Оказалось, что рост слоя оксида происходит за счет адатомов меди, которые отделяются от многочисленных ступенчатых фрагментов поверхности и перемещаются в ее верхнем слое, а затем начинают окисляться. Но можно ли приготовить образец меди с очень плоской поверхностью, который не будет окисляться на воздухе, ученым было неизвестно.

Химики под руководством Се-Ена Чона из Пусанского университета решили получить пленку из меди с очень гладкой поверхностью и изучить ее свойства. Для этого они вырастили монокристаллические медные слитки и вырезали из них тонкую медную проволоку. Затем, с помощью атомного распыления им удалось приготовить монокристаллические пленки толщиной около 110 нанометров на подложке из полированного оксида алюминия Al2O3.

Поверхность пленки химики исследовали с помощью сканирующего растрового электронного микроскопа. Микрофотографии показали очень гладкую поверхность из атомов меди без дефектов, но с несколькими ступенчатыми фрагментами с шагом в один атом. Причем расположение атомов на поверхности и в толщине образца совпадали, что указывало на отсутствие дефектов от окисления кислородом. Чтобы исследовать механические напряжения в пленке, которые обычно возникают из-за дефектов поверхности, химики использовали геометрический фазовый анализ. Он позволяет напрямую находить напряжения на микрофотографиях. Оказалось, что вся поверхность свободна от напряжений и практически не содержит дефектов.

Затем химики выдержали один из образцов на воздухе в течение года, а другой — в течение трех лет. Потом они провели эксперименты по микроскопии. Первый образец за год практически не изменился: химики не обнаружили даже следов оксида меди на его поверхности, и количество дефектов не увеличилось. Тем не менее образец, который продержали на воздухе три года, заметно окислился. На его поверхности образовалось несколько слоев оксида меди Cu2O. Однако, как отмечают авторы исследования, поликристаллический образец с большим количеством ступенчатых фрагментов за 3 года окислился значительно сильнее.

Далее химики построили компьютерную модель окисления меди с помощью теории функционала плотности. Они показали, что окисление становится выгодным по энергии, когда на поверхности появляются дефекты с двумя или больше ступеньками из атомов меди. А на плоских пленках с одноатомными ступеньками этот процесс невыгоден.

В результате химики синтезировали очень плоскую медную пленку, практически лишенную поверхностных дефектов. Она не окислилась при стоянии на воздухе в течение года. Кроме того, компьютерная модель подкрепила полученные экспериментальные результаты и объяснила необычную устойчивость полученных пленок к окислению.

С помощью микроскопии можно следить за поведением отдельных атомов. Например, недавно мы рассказывали, как химикам удалось проследить за диффузией изотопов углерода.

Михаил Бойм


Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.