Хіміки з Південної Кореї приготували тонкі плівки з міді з дуже плоскою і гладкою поверхнею практично без дефектів. Виявилося, що такі плівки на підкладці з оксиду алюмінію дуже стійкі до окислення, і навіть після перебування на повітрі протягом одного року поверхня плівок практично не змінилася. Дослідження опубліковано в.
Поверхні багатьох металів окислюються під дією кисню повітря при кімнатній температурі. У разі міді це легко помітити неозброєним оком - яскраво-червона поверхня може стати брудно-зеленою за кілька років. І хіміки шукають способи уповільнити окислення мідних поверхонь - воно заважає виробництву напівпровідників і оптоелектронних пристроїв, що містять мідь.
Механізм окислення міді з'ясували 2012 року. Виявилося, що зростання шару оксиду відбувається за рахунок адатомів міді, які відокремлюються від численних ступеневих фрагментів поверхні і переміщуються в її верхньому шарі, а потім починають окислюватися. Але чи можна приготувати зразок міді з дуже плоскою поверхнею, який не буде окислюватися на повітрі, вченим було невідомо.
Хіміки під керівництвом Се-Ена Чона з Пусанського університету вирішили отримати плівку з міді з дуже гладкою поверхнею і вивчити її властивості. Для цього вони виростили монокристалічні мідні злитки і вирізали з них тонкий мідний дріт. Потім, за допомогою атомного розпилення їм вдалося приготувати монокристалічні плівки товщиною близько 110 нанометрів на підкладці з полірованого оксиду алюмінію Al2O3.
Поверхню плівки хіміки досліджували за допомогою скануючого растрового електронного мікроскопа. Мікрофотографії показали дуже гладку поверхню з атомів міді без дефектів, але з кількома ступінчастими фрагментами з кроком в один атом. Причому розташування атомів на поверхні і в товщині зразка збігалися, що вказувало на відсутність дефектів від окислення киснем. Щоб дослідити механічні напруги в плівці, які зазвичай виникають через дефекти поверхні, хіміки використовували геометричний фазовий аналіз. Він дозволяє безпосередньо знаходити напруги на мікрофотографіях. Виявилося, що вся поверхня вільна від напружень і практично не містить дефектів.
Потім хіміки витримали один із зразків на повітрі протягом року, а інший - протягом трьох років. Потім вони провели експерименти з мікроскопії. Перший зразок за рік практично не змінився: хіміки не виявили навіть слідів оксиду міді на його поверхні, і кількість дефектів не збільшилася. Проте зразок, який протримали на повітрі три роки, помітно окислився. На його поверхні утворилося кілька шарів оксиду міді Cu2O. Однак, як зазначають автори дослідження, полікристалічний зразок з великою кількістю ступеневих фрагментів за 3 роки окислився значно сильніше.
Далі хіміки побудували комп'ютерну модель окислення міді за допомогою теорії функціоналу щільності. Вони показали, що окислення стає вигідним по енергії, коли на поверхні з'являються дефекти з двома або більше сходинками з атомів міді. А на пласких плівках з одноатомними сходинками цей процес невигідний.
В результаті хіміки синтезували дуже плоску мідну плівку, практично позбавлену поверхневих дефектів. Вона не окислилася при стоянні на повітрі протягом року. Крім того, комп'ютерна модель підкріпила отримані експериментальні результати і пояснила незвичайну стійкість отриманих плівок до окислення.
За допомогою мікроскопії можна стежити за поведінкою окремих атомів. Наприклад, нещодавно ми розповідали, як хімікам вдалося простежити за дифузією ізотопів вуглецю.