Атомно-силовая микроскопия помогла расшифровать структуру поверхности корунда

Химики из Австрии исследовали поверхность оксида алюминия Al₂O₃ с атомным разрешением. Они использовали модифицированный кантилевер атомно-силового микроскопа, чтобы получить точную информацию о расположении атомов алюминия и кислорода на поверхности образца. Исследование опубликовано в Science.

Оксид алюминия Al₂O₃ существует в нескольких формах. В самой распространенной альфа-форме (ее еще называют корундом) решетка окиси построена из гексагонально упакованных ионов кислорода и расположенных в октаэдрических пустотах ионов алюминия. При этом ученым давно известно, что при нагревании до высокой температуры поверхность кристалла окиси алюминия перестраивается. То есть, расположение атомов на поверхности перестает совпадать с их расположением в кристалле. Это происходит из-за того, что на поверхности ионы оказываются валентно ненасыщенными, и перестройка с образованием новых связей выгодна термодинамически. Но как именно выглядит поверхность корунда после такой перестройки, не было известно до сих пор.

Химики под руководством Яна Балайки (Jan Balajka) из Венского технического университета смогли применить атомно-силовую микроскопию для исследования реорганизованной при 1000 градусах Цельсия поверхности альфа-формы Al₂O₃, совпадающей с основанием гексагональной призмы кристалла (плоскость 0001). Они использовали сконструированный другой группой ученых кантилевер с жестким острием иглы из оксида меди CuO_x. Дело в том, что классические кремниевые кантилеверы давали меньшее разрешение за счет своей большей подвижности, и точно выяснить структуру поверхности у химиков не получалось.

В результате микроскопии выяснилось, что ионы алюминия на поверхности образца образуют искаженную гексагональную решетку с расстоянием алюминий-алюминий в 3,04 ангстрема. При этом каждый ион алюминия находится в тетраэдрическом или пирамидальном окружении соседних ионов кислорода, и к каждому иону алюминия дополнительно координирован один ион кислорода, находящийся под поверхностным слоем ионов.

Далее, чтобы более полно разобраться в структуре поверхности корунда, химики применили квантово-механические расчеты и смоделировали первые несколько слоев поверхности. Кроме того, они рассчитали энергию полученной структуры поверхности и сравнили ее с энергией немодифицированной поверхности, в которой атомы располагались точно в соответствии с гексагональной кристаллической решеткой. Результаты расчетов показали, что модифицированная поверхность обладает гораздо меньшей поверхностной энергией, а значит, она более устойчива, что и наблюдается в эксперименте.

Так ученые построили модель структуры поверхности и нескольких внутренних слоев корунда. Они отмечают, что их модель согласуется с ранее полученными экспериментальными данными других ученых, которые не смогли точно смоделировать поверхность из-за большой погрешности экспериментов.

Недавно мы рассказывали о том, как химики расшифровали структуру метилалюмоксида. Для этого они использовали рентгеноструктурный анализ.