金屬材料，不可避免地與空氣中的氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生成氧化物，這些氧化物附著在金屬材料表面，會(huì)導(dǎo)致最終產(chǎn)品的表面質(zhì)量惡化。氧化Oxidation，會(huì)使銅材料性能惡化，而銅材料性能對(duì)其使用至關(guān)重要，特別是半導(dǎo)體工業(yè)和電子光學(xué)應(yīng)用。這促使大量研究探索銅氧化和可能的鈍化策略。例如，原位觀察表明，氧化涉及臺(tái)階表面：由于Cu吸附原子從臺(tái)階脫離并擴(kuò)散穿過(guò)臺(tái)階，因此，銅氧化物Cu2O生長(zhǎng)發(fā)生在平坦表面上。但是，即使這種機(jī)制解釋了為什么單晶銅比多晶銅更耐氧化，但平坦銅表面可以不被氧化的事實(shí)，還沒有進(jìn)一步探索。

今日，韓國(guó) 釜山大學(xué)(Pusan National University)Se-Young Jeong團(tuán)隊(duì)，成均館大學(xué)Sungkyunkwan University的Young-Min Kim團(tuán)隊(duì)，美國(guó) 密西西比州立大學(xué)Seong-Gon Kim團(tuán)隊(duì)在Nature上發(fā)文，報(bào)道了半永久抗氧化的銅薄膜制備，因其平坦的表面組成，只有偶爾的單原子臺(tái)階step edges。第一性原理計(jì)算證實(shí)，單原子臺(tái)階邊緣與平坦表面一樣不受氧的影響，并且一旦達(dá)到50%氧面心立方FCC表面位置覆蓋率，氧原子表面吸附就被抑制。這些綜合效應(yīng)解釋了超平坦銅Cu表面的特殊抗氧化性能。

Flat-surface-assisted and self-regulated oxidation resistance of Cu(111)

Cu（111）平整表面輔助的自調(diào)節(jié)抗氧化性能

圖1：原子濺射外延atomic sputtering epitaxyASE生長(zhǎng)單晶銅薄膜表面。

圖2：?jiǎn)尉u(111)膜SCCF表面的長(zhǎng)期抗氧化性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

圖3：界面結(jié)構(gòu)和晶體學(xué)關(guān)系。

圖4：銅表面氧化的理論分析和模型。

考慮到臺(tái)階邊緣step edge易受氧化影響，因?yàn)楸砻媾_(tái)階surface steps作為表面晶面結(jié)構(gòu)surface terraces上Cu吸附原子氧化物生長(zhǎng)的主要來(lái)源，抗氧化性要求避免表面臺(tái)階邊緣。在這點(diǎn)上，緊密堆積的Cu(111)表面優(yōu)于其他Cu晶面。

該項(xiàng)研究工作，實(shí)驗(yàn)演示了原子濺射外延atomic sputtering epitaxy(ASE)生長(zhǎng)的單晶Cu(111)膜single-crystal Cu(111) film(SCCF)，以顯示緊密配位的平坦表面，可以保持半永久穩(wěn)定而不被氧化。理論計(jì)算從氧原子進(jìn)入銅表面結(jié)構(gòu)可能途徑的角度，展示了平坦銅表面的原子尺度抗氧化機(jī)制，并發(fā)現(xiàn)了在高氧覆蓋率下的自調(diào)節(jié)保護(hù)層。這意味著單晶Cu(111)膜SCCF的原子級(jí)平坦表面，由于氧滲透的高能壘而表現(xiàn)出抗氧化性能，并且因高氧覆蓋率而表現(xiàn)出自調(diào)節(jié)特性。

文獻(xiàn)鏈接：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