紐約州立大學周光文?Acta Mater.：島狀氧化物的一次和二次形核調控氧化膜織構

Materials_1219 5年前 (2018-07-09) 5062瀏覽

【引言】

在微觀和介觀尺度上，納米/微晶的復雜多層次結構對于調整材料的特性具有重要意義。但是微納米晶體的多層次組織的基本機制、晶體學取向和它們的相互轉變的研究仍然困難重重。本文將原位高分辨透射電鏡（TEM）和原子力顯微鏡（AFM）兩種測試手段相結合，研究了Cu(001)襯底上氧化物織構的形核及生長過程；分析了氧化物薄膜織構的形成過程所需條件；證明了氧化物織構晶體取向可調的可行性。

【成果簡介】

近日，美國紐約州立大學的周光文（通訊）作者等人，通過金屬氧化中，納米島狀氧化物的兩階段成核過程，證明了織構氧化膜中晶體取向的可調性。采用原位環境透射電子顯微鏡，在銅的氧化過程中，通過一級成核方式在在銅襯底上外延生長氧化物島，隨后在一級氧化島的側面成核另外取向的氧化物島，獲得雙重結構Cu2O納米晶體膜。這種島狀氧化物的雙形核機制，預計在制備其他納米晶金屬氧化物的多層次結構中，具有廣泛的適用性。相關成果以“Tailoring the Formation of Textured Oxide Films via Primary and Secondary Nucleation of Oxide Islands”為題發表在Acta Materialia上。

【圖文導讀】

圖 1 島狀Cu2O一次和二次成核，形成Cu2O納米晶薄膜的雙重構型的示意圖

（a）氫處理后，清潔Cu(001)表面示意圖；

（b）Cu(001)襯底上，外延島狀Cu2O一次成核示意圖；

（c）Cu2O島側面， 二次成核其他取向Cu2O示意圖。

圖 2 Cu(001)表面Cu2O一次和二次成核過程的原位TEM觀察

（a-d）T = 200℃、Cu(001)表面上，不同時間下，島狀Cu2O成核生長的原位TEM觀察；

（e）清潔Cu(001)表面的電子衍射圖案。

（f）氧化5 min后，Cu(001)表面的復合衍射圖案；

（g）氧化30 min后，Cu(001)表面出現具有12次旋轉對稱的衍射圖案。

圖 3 島狀Cu2O一次和二次形核晶體取向關系的電子衍射分析

（a）200℃下氧化的Cu(001)表面，其一次和二次形核島狀Cu2O的復合衍射花樣；

（b）計算機模擬的沿[111]帶軸的Cu2O的電子衍射圖；

（c）兩個夾角為30°的復合Cu2O[111]模擬衍射圖案；

（d）沿Cu2O[001]軸的模擬電子衍射圖；

（e）島狀Cu2O的一次形核的[001]軸中的(211)晶面和二次形核的[111]軸的(220)晶面組成的復合衍射圖；

（f）Cu2O的[001]軸和[111]軸組成的復合衍射圖，其中[111]花樣相較于（e）旋轉90?。

圖 4 Cu(001)表面上一次和二次形核島狀Cu2O的HRTEM分析

（a）Cu(001)表面上一次形核的島狀Cu2O的HRTEM圖像；

（b）是（a）的FFT圖像，表明了一次島和Cu襯底之間的Cu2O(001)//Cu(001)和Cu2O(110)// Cu(001)晶體學取向關系；

（c）Cu(001)表面上，一次和二次形核的島狀Cu2O的HRTEM圖像；

（d，e）是（c）中虛線區域的FFT圖，表明了一次島和二次島的[001]-和[111]-取向。

圖 5 一次形核、二次形核島狀Cu2O的SEM圖像

（a）在400℃溫度下，一次和二次島狀Cu2O的SEM圖像；

（b）一次和二次形核的島狀Cu2O空間關系的SEM圖；

（c）在600℃溫度下，主島側面的二次島狀Cu2O的成核SEM圖像。

圖 6 一次島狀Cu2O的AFM圖和其側面上二次島狀Cu2O的形核示意圖

（a）一次島狀Cu2O的3D的AFM圖像；

（b）是（a）中一次島狀Cu2O的高度分布；

（c）一次島狀Cu2O的晶面示意圖；

（d，e）一次島狀Cu2O(111)晶面表面上發生的二次島狀Cu2O的形核-生長示意圖；

（f）一次和二次島狀Cu2O之間方向和空間關系的3D示意圖。

圖 7 Cu(001)表面上一次和二次形核島狀Cu2O的溫度和氧氣壓力范圍

圖 8 一次和二次島狀Cu2O之間晶體學關系與界面結構的分析

（a）一次和二次島狀Cu2O之間的(111)//(002)界面匹配示意圖；

（b，c）Cu2O的(111)和(002)面的原子構型；

（d，e）Cu2O的(111)和(002)面上，不同高度的Cu和O原子的3D示意圖；

（f，g）一次和二次Cu2O島的(111)和(002)表面示意圖。

圖 9 Cu(111)和Cu(011)表面島狀氧化物的生長特點

（a，c）在400℃下，Cu(111)表面上的島狀氧化物生長的原位TEM圖像；

（b，d）分別是(a)和(c)中島狀氧化物的電子衍射圖；

（e）在350℃和0.5Torr氧分壓下氧化30分鐘，Cu(011)上一次島狀氧化物的TEM圖像；

（f）是(e)中一次島狀氧化物的外延生長的電子衍射圖；

（g）在350℃和50Torr氧分壓下氧化30分鐘，Cu(011)上一次和二次形核氧化物的TEM圖像；

（h）是(g)中二次島狀Cu2O的環狀電子衍射圖。

【小結】

通過對Cu(001)、(110)和(111)表面上島狀Cu2O的形核-生長的原位TEM觀察，研究了金屬氧化的兩階段形核過程。Cu(001)表面上島狀Cu2O的一次外延形核后，在Cu2O島的側面上二次形核其他取向的Cu2O島。 需要足夠高的氧氣壓力，用來克服二次形核所需的能壘。氧化物形核的兩個階段，分別形成具有[001]和[111]面外取向的Cu2O晶粒的織構氧化物膜，其中[111]取向的晶粒具有30°的面內旋轉。研究表明通過控制金屬氧化中氧化物成核過程，可以獲得特定結晶取向和微觀結構的可調性的氧化物膜。

【團隊介紹】

通訊作者Guangwen Zhou(周光文)現為紐約州立大學賓漢姆頓分校教授。其指導的材料表面與界面研究組專注于利用多種原位表征實驗手段及與理論模擬相結合來研究材料中界面和表面上的原子行為。課題組與美國布魯克海文國家實驗室、太平洋西北國家實驗室，阿貢國家實驗室，美國國家標準局等開展了廣泛的合作與交流。相關研究結果發表在Nat. Mat.、Nat. Comm.、PNAS、PRL、ACS Nano、 Chem. Mater.、Acta Mater.、Chem. Commun.等國際期刊上。

【相關文獻】

  1. F. Zou, C.M. Yang, Y.K. Lei, D. Zakharov, J.M.K. Wiezorek, D. Su, Q.Y. Yin, J. Li, Z.Y. Liu, E.A. Stach, J.C. Yang, L. Qi, G.F. Wang, G.W. Zhou, “Facilitating dislocation nucleation through atomic segregation”, Nature Materials 17, 56-63 (2018)
  2. L. Luo, M. Su, P. Yan, L.F. Zou, D. Schreiber, D. Baer, Z.H. Zhu, G.W. Zhou, Y. Wang, S. Bruemmer, Z. Xu, C. Wang, “Atomic origins of water-vapour-promoted alloy oxidation”, Nature Materials 17, 514-518 (2018)
  3. F. Zou, W.A. Said, Y. Lei, Z. Liu, J. Li, L. Li, Q. Zhu, D. Zakharov, E.A. Stach, J,C. Yang, G.F. Wang, G.W. Zhou, “Segregation induced order-disorder transition in Cu(Au) surface alloys”, Acta Materialia 154, 220-227 (2018)
  4. L. Qin, X.D. Chen, J.?Li, P. Sutter, G.W. Zhou, “Atomic-step-induced local nonequilibrium effects on surface oxidation”, Journal of Physical Chemistry C 121, 22846-22853 (2017)
  5. F. Zou, J. Li, D. Zakharov, E.A. Stach, G.W. Zhou, “In situ atomic-scale imaging of the metal/oxide interfacial transformation”, Nature Communications 8, 307 (2017)
  6. F. Zou, J. Li,D. Zakharov, W.A. A. Saidi,E.A. Stach, G.W. Zhou, “Atomically visualizing elemental segregation induced surface restructuring”, Journal of Physical Chemistry Letters 8, 6035-6040 (2017)
  7. H. Zhu, J. Winterstein, W.-C.Yang, L. Yuan, R. Sharma, G.W. Zhou, “In situ Atomic-Scale Probing of the Reduction Dynamics of 2-Dimensional Fe2O3 Nanostructures”, ACS Nano 11(1), 656-664 (2017)
  8. L. Qin, X.D. Chen, L. Li, P. Sutter, G.W. Zhou, “Oxidation-driven surface dynamics on NiAl(100)”, Proceeding of the National Academy of Sciences 112 (2), E103-109 (2015)
  9. Li, L.L. Luo, J. Ciston, W.A. Saidi, E.A. Stach, J.C. Yang, G.W. Zhou, “Surface-step-induced oscillatory oxide growth", Physical Review Letters 113, 136104 (2014)
  10. W. Zhou, L.L. Luo, L. Li, J. Ciston, E.A. Stach, W.A. Saidi, J.C. Yang, “In situ atomic visualization of oxide islanding during oxidation of Cu surfaces”, Chemical Communications 49, 10862-10864 (2013)
  11. W. Zhou, L.L. Luo, L. Li, J. Ciston, E. Stach, J.C. Yang, “Step edge induced oxide growth during the oxidation of Cu(100)” Physical Review Letters 109, 235502 (2012)

文獻鏈接：Tailoring the Formation of Textured Oxide Films via Primary and Secondary Nucleation of Oxide Islands（Acta Mater., 2018, DOI: 10.1016/j.actamat.2018.06.045）。

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