Kupfer (Cu) ist aufgrund seiner hervorragenden elektrischen Leitfähigkeit sowie anderer wertvoller physikalischer Eigenschaften, wie der Fähigkeit, Kupfer zu dünnen Drähten zu ziehen, von grundlegender Bedeutung für unser tägliches Leben. Cu ist das Kernmetall der Elektronik-, Halbleiter- und Elektrooptikindustrie. Aber Oxidation und unerwünschte Korrosion an seiner Oberfläche können die Lebensdauer begrenzen und den elektrischen Widerstand von Cu erhöhen. Jetzt hat ein Forscherteam unter der Leitung von Prof. Se-Young Jeong von der Pusan National University einen Weg entwickelt, oxidationsbeständige dünne Kupferschichten herzustellen. „Oxidationsbeständiges Cu könnte möglicherweise Gold in Halbleitergeräten ersetzen, was dazu beitragen würde, ihre Kosten zu senken. Oxidationsbeständiges Cu könnte auch den Stromverbrauch senken und die Lebensdauer von Geräten mit Nanoschaltkreisen verlängern“, sagt Prof. Jeong. Die Studie ist erschienen in Natur.
Frühere Studien haben gezeigt, dass die Cu-Oxidation aufgrund mikroskopischer „Mehrstufen“ auf der Oberfläche von Kupfer auftritt. Diese Schritte stellen eine Quelle für Cu-Adatome (adsorbierte Atome) bereit, die mit Sauerstoff wechselwirken und einen Platz für das Wachstum von Oxiden bieten. Deshalb ist einkristallines Cu oxidationsbeständig. „Wir haben eine Methode namens Atomsputter-Epitaxie verwendet, um eng koordinierte, flache, einkristalline Kupferfilme zu züchten. Durch die Verwendung von Rauschunterdrückungssystemen zur Reduzierung von elektrischem und mechanischem Rauschen konnten wir die Cu-Oberflächen nahezu defektfrei halten und atomar flache Filme herstellen. “, erklärt Prof. Jeong.
Das Forschungsteam verwendete dann hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (HR-TEM), um die Cu-Filme zu untersuchen. Sie fanden heraus, dass der Film in der Zeit wuchs [111] Richtung und hatte eine fast flache Oberfläche mit gelegentlichen monoatomaren Stufen. Anschließend verglichen sie die einkristallinen Cu(111)-Filme (SCCFs) mit anderen Cu-Filmen, die eine höhere Oberflächenrauheit aufwiesen, und stellten fest, dass die SCCFs im Gegensatz zu den anderen Filmen oxidationsbeständig waren, dh Sauerstoff nur sehr schwer eindringen konnte die monoatomare Stufenkante.
Die Forscher verwendeten dann ein mikroskopisches Modell der Cu-Oxidation auf der Grundlage der „Dichtefunktionaltheorie“, um zu untersuchen, wie der SCCF mit Sauerstoff interagiert. Sie fanden heraus, dass die Oberfläche des SCCF selbst durch Sauerstoff geschützt war, sobald 50 % seiner Oberfläche mit Sauerstoffatomen bedeckt waren. Eine zusätzliche Absorption von Sauerstoffatomen auf dem SCCF wurde durch die hohe Energiebarriere, die sie selbst erzeugten, unterdrückt.
„Die Neuheit unserer Forschung liegt in der Realisierung von atomar flachen Oberflächen, dh Oberflächen, die auf atomarer Ebene flach sind, sowie in der Aufklärung des Oxidationsbeständigkeitsmechanismus von ultraflachen Metallen“, schließt Prof. Jeong.
Die Ergebnisse dieser Studie leisten nicht nur einen wichtigen Beitrag für die Elektronik- und Halbleiterindustrie, sondern tragen auch wesentlich dazu bei, unbezahlbare Bronzeskulpturen vor Beschädigungen zu schützen.
Su Jae Kim et al, Flachoberflächen-unterstützte und selbstregulierte Oxidationsbeständigkeit von Cu(111), Natur (2022). DOI: 10.1038/s41586-021-04375-5
Zur Verfügung gestellt von der Pusan National University