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金属在高温下易氧化，限制其应用。研究人员开展 “构建具有高温抗氧化性的不透氧铜表面单原子层” 研究，发现用 Si 锚固 O 形成 SiCuOx 层可使铜在 400°C 仍抗氧化且导电性不变，为金属在高温环境应用提供新途径。
在材料科学领域，金属材料凭借其优良的性能被广泛应用于众多行业。然而，金属在高温环境下的氧化问题却如同高悬的达摩克利斯之剑，严重制约着它们的进一步发展和应用。以铜（Cu）、镍（Ni）、铁（Fe）等金属为例，它们在电子、能源、机械制造等领域至关重要，但在高温环境中，尤其是超过 200°C 时，极易发生氧化反应。尽管科研人员尝试了表面涂层、掺杂、合金化等多种方法来解决这一难题，却始终无法在不影响金属固有性能的前提下，有效维持其在高温下的表面稳定性。
为了攻克这一棘手的难题，来自韩国釜山国立大学 Crystal Bank Research Institute、成均馆大学等多个研究机构的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Nature Communications》上，为金属高温抗氧化领域带来了新的曙光。
在这项研究中，研究人员提出了一种创新的策略，即通过将氧（O）固定在金属表面来阻止其进一步氧化。他们利用密度泛函理论（DFT）进行了大量计算，筛选出多种可能用于锚定 O 的元素，包括碳（C）、铝（Al）、硅（Si）、锗（Ge）、镓（Ga）、铟（In）和锡（Sn）。经过综合评估，发现 Si 是最适宜的锚定元素。随后，研究人员通过系统的溅射沉积实验验证了这一理论发现。
研究人员使用了多种关键技术方法。在薄膜生长和处理方面，运用原子溅射外延（ASE）技术制备单晶铜薄膜（SCCFs），并通过射频溅射系统在多种金属材料上沉积 Si 形成 SiMOx层。在结构和化学表征上，利用 X 射线衍射（XRD）、掠入射 X 射线衍射（GIXRD）分析晶体结构；采用 X 射线光电子能谱（XPS）进行元素深度剖析；借助扫描透射电子显微镜（STEM）结合电子能量损失谱（EELS）观察原子结构和化学状态；运用几何相分析（GPA）技术研究表面应变。理论计算则基于 DFT，采用 VASP 软件进行总能量计算和几何优化。
研究结果
- 阻断氧通道：研究人员设计了一种独特的策略，利用 O 自身来防止高温氧化。通过 DFT 计算筛选出 Si 作为最佳锚定元素，实验表明 Si 能有效防止氧化，即使在超过 400°C 的高温下，也能显著提高金属的抗氧化性能。
- Si 沉积单晶铜薄膜的高温抗氧化性：对 Si 沉积的 SCCFs 进行研究发现，未处理的 SCCFs 在不同温度热处理后会出现明显的颜色变化，而 Si 沉积的 SCCFs 在 300°C 处理 30min、400°C 处理 30min 后仍能保持原色。XRD 和 GIXRD 分析证明，Si 沉积后铜表面在 300°C 以下结构稳定；XPS 测量表明，300°C 时铜表面未被氧化，450°C 时则发生氧化。
- 原子级薄的化学修饰表面：利用 ADF-STEM 和 EELS 技术对 Si 沉积的 SCCFs 进行分析，发现其表面形成了由 SiOx-Si-SiOx组成的三层结构，即 SiCuOx 层。该层中 Cu 原子与 O 原子发生化学结合，且原子级表面修饰层对实现高温抗氧化性能起着关键作用。
- 表面结构分析：通过 GPA 分析发现，SiCuOx 处理后的 SCCF 结构质量与未处理的相当，但表面存在晶格收缩现象。这种晶格收缩压缩了铜膜顶层，阻碍了氧的渗透。
- 无电性能退化和多种可氧化金属的高温抗氧化性：测量 SiCuOx 处理前后样品的电阻率发现，在 420°C 以下，处理后的样品电阻率与原始铜几乎相同，且在 200°C 下可保持 60h 不变。该方法对多种形式的铜，如商业铜箔、聚合物基底上的多晶铜等，以及铁和镍等金属均具有显著的抗氧化效果。
研究结论与讨论
研究人员成功实现了铜在高温环境下显著的高温抗氧化性（HTOR）。这种方法通过在优化的 ASE 条件下溅射沉积 Si，可广泛应用于多种可氧化金属，从单晶薄膜到粗糙表面的箔材和图案化多晶薄膜。HTOR 的实现源于 O 原子自身有效阻挡氧通道，Si 原子将其固定，同时表面形成的原子级薄 SiMOx层和硬化的金属外壳进一步阻碍了氧的渗透。并且，处理后的铜能保持原始的电性能和几何均匀性，在 400°C 以下具有近乎永久的耐腐蚀性。考虑到苛刻环境电子设备所需的 70 - 125°C 工作温度范围，该研究成果为未来基于可氧化金属的技术发展开辟了广阔前景，有望推动电子、能源、航空航天等众多依赖金属材料的领域实现新的突破。
