Результаты, опубликованные в Proceedings of the National Academy of Sciences, могут иметь отношение к пониманию и, возможно, управлению окислением в широком спектре материалов — от катализаторов до суперсплавов, используемых в турбинах реактивных двигателей, и оксидов в микроэлектронике.Эксперименты проводились группой во главе с Гуанвен Чжоу из Бингемтонского университета в сотрудничестве с Питером Саттером из CFN, Научно-исследовательского центра Министерства энергетики США. Команда использовала низкоэнергетический электронный микроскоп (LEEM), чтобы зафиксировать изменения в структуре поверхности никель-алюминиевого сплава, когда «полосы» оксида металла образовывались и росли в диапазоне повышенных температур.
«Эти микроскопы не так часто можно найти в обычных исследовательских лабораториях; их всего несколько в США», — сказал Саттер. «У нас есть довольно живое« сообщество пользователей »ученых, которые приходят в CFN только для того, чтобы использовать этот тип прибора».Металл, который Чжоу хотел изучить, никель-алюминий, имеет характерную черту, общую для всех кристаллических поверхностей: ступенчатую структуру, состоящую из серии плоских террас на разной высоте.
Ступеньки между террасами имеют высоту всего в один атом, но они могут существенно повлиять на свойства материала. По словам Саттера, способность видеть ступеньки и то, как они меняются, важна для понимания того, как поверхность будет вести себя в различных средах, в данном случае в ответ на кислород.Сказал Чжоу: «Приобретение такого рода знаний необходимо для получения контроля над реакцией металлической поверхности на окружающую среду».
Ученым давно известно, что атомы на краях атомных ступеней особенно реактивны. «Они не так полностью окружены, как атомы, входящие в состав плоских террас, поэтому они более свободны во взаимодействии с окружающей средой», — сказал Саттер. «Это играет роль в химии поверхности материала».Новое исследование показало, что атомы алюминия, участвующие в формировании полосок оксида алюминия, поступают исключительно со ступенек, а не террас.
Но изображения LEEM показали еще больше: растущие полосы оксида не могли «взбираться» вверх или вниз по ступенькам, а ограничивались плоскими террасами. Чтобы продолжить рост, им пришлось отодвигать ступеньки, поскольку кислород продолжал захватывать атомы алюминия по краям.
Это заставило ступеньки сгущаться все ближе и ближе друг к другу, что в конечном итоге замедлило скорость роста оксидных полос, а затем полностью остановило его.«Впервые мы показываем, что атомные ступени могут замедлить окисление поверхности на самых ранних стадиях», — сказал Чжоу.Однако по мере того, как одна полоса перестает расти, начинает формироваться другая. «По мере того, как полосы оксида растут вдоль двух возможных направлений на кристалле, которые находятся под прямым углом друг к другу, в конечном итоге получаются узоры из блоков и линий, которые напоминают картины Мондриана на основе сетки», — сказал Саттер. «Они довольно красивые…» и все-таки стойкие.
Фактически, ученые, изучавшие другую «огранку» или грань кристаллического никель-алюминиевого сплава, заметили, что ступеньки на этой поверхности не влияют на рост оксида. Кроме того, на этой поверхности атомы алюминия в объеме кристалла могут участвовать в образовании оксида алюминия, а полосы оксида могут выходить за пределы ступенек, сказал Чжоу.
Тем не менее детали и различия двух типов поверхностей могут предложить новые способы, которыми ученые могут попытаться контролировать окисление в зависимости от их назначения.«Не все оксиды — это плохо», — сказал Саттер. «Они образуют защитный слой от коррозии. Они играют важную роль в химии, например, в катализе. Оксид кремния является изоляционным материалом в микроэлектронных схемах, где он играет центральную роль в направлении потока тока».
Знание того, какой тип поверхности имеет материал и его влияние на окисление — или как создавать поверхности с желаемыми свойствами — может улучшить конструкцию этих и других материалов.