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2019-02-01氧化對表面做了什麼 ? 透過奈米尺度細看金屬表面的變化 590 期

Author 作者 林文欽/國立臺灣師範大學物理學系教授,研究領域為表面科學與磁物理。
日常生活中,金屬表面的氧化(如鐵片生鏽)應該是大家習以為常的現象。但是,除了氧化所造成的金屬表面變色與剝落等巨觀肉眼可見的表徵外,在微觀奈米尺度下仍有許多細微變化會發生在表面氧化過程中。這些表面氧化現象包含物理及化學變化,同時也會對表面之下的金屬層物理特性及元素組成產生影響。本文將透過使用原子力顯微儀(atomic force microscpoic, AFM)、掃描式電子顯微儀(scanning electron microscope, SEM)及穿透式電子顯微儀(transmission electron microscope, TEM)等多種特性分析功能,呈現一個鈷鈀(CoPd)合金薄 膜表面氧化過程中的一些有趣觀察,希望讀者能對「表面氧化」這個看似簡單的現象有更深入的理解。

之所以選擇研究鈷鈀合金薄膜的原因有3點:(1)鈷、 鈀 2 種金屬的受氧化的程度差異很大:鈷很容易在大氣下與氧鍵結,形成氧化鈷,但是鈀是一種貴金屬,常溫大氣下並不容易氧化;(2)鈷是一種強鐵磁性材料,一 般而言,鈷鈀合金薄膜也呈現鐵磁性,且其磁性行為會隨鈷鈀的合金比例而變化;(3)鈀是一種很特別的催化材料,薄膜表面的鈀原子可以有效地在常溫下造成氫氣裂解吸收。上述鈷鈀合金薄膜的特殊性質,除了供研究其表面氧化現象外,也能觀察其它物理特性是否也隨之變化。

 

氧化後的表面怎麼了?

此次研究的鈷鈀合金薄膜,是在超高真空中以電子束加熱的方式蒸鍍於藍寶石基板上,薄膜厚度約為10~20奈 米(nm)。剛製備完成的鈷鈀合金薄膜一旦被取出真空腔,開始暴露於大氣環境下後,便使用原子力顯微儀 定期偵測其表面形貌的變化。如同在圖一A 的原子力顯微儀影像所呈現,在樣品製備完成的當天,鈷鈀薄膜的表面相對地均勻平整,圖一D 的高度橫剖線則表示該樣品絕大部分表面的高低起伏僅小於1 奈米,同時在局部區域伴隨有極小顆粒出現。有趣的是,隨著這個鈷鈀薄膜在大氣下儲藏的天數增加,表面的小顆粒越來越多,而且有聚集的現象產生。圖一B 為呈現9天後所取得的影像,表面顆粒會形成近似圓形面積的叢聚分布;而 在這似圓形面積中的顆粒大小可達近5奈米高。當天數增加到82天時,表面的小顆粒已經形成了布滿奈米島 (nanoisland)的陣列了,這些奈米島的平均高度約為18奈米,平均直徑已達120奈米,如圖一C、F 所示。

圖一G、H 則是使用原子力顯微儀的形貌分析及相位分析模式所取得奈米島的影像。形貌影像清楚地呈現奈米島的大小、形狀,但是相位分析影像進一步呈現出奈米材料,薄膜表面的鈀原子可以有效地在常溫下造成氫氣裂解吸收。上述鈷鈀合金薄膜的特殊性質,除了供研究其表面氧化現象外,也能觀察其它物理特性是否也隨之變化。氧化後的表面怎麼了?此次研究的鈷鈀合金薄膜,是在超高真空中以電子束加島的表面仍有細微結構存在。這些微結構之所以能在相位影像被看到,成因來自表面的硬度分布不均勻,這同時也暗示奈米島表面仍有因成份或原子晶格排列結構分佈不均所造成裂縫狀圖案。實驗所觀察到「自動成長」在表面上的奈米島陣列非常有趣,而其實所謂的自動成長,一般稱為「表面自組裝奈米結構(self-assembled surface nano-structure)」。顧名思義,雖然所研究的 鈷鈀合金薄膜不是具有生命現象的樣品,但是適當的溫度、氣壓環境可以使其表面自然地產生某些物理及化學變化,進而自行排列成奈米結構。當然,除了觀察到這些表面自組裝的奈米島陣列之外,更好奇這些奈米島的成份及產生這些奈米島的機制,而這些問題都需要有其它奈米尺度下的分析儀器才能幫助解答。

 

氧化後導電性的變化

首先,得確認這些奈米島是金屬還是氧化物,能夠辨別的最快方法就是量測每個奈米島的導電性。這邊使用的是導電原子力掃描探針,在探針外加電壓的條件下量測樣品端是否能收到電流。......【更多內容請閱讀科學月刊第590期】