|
Тайна структуры поверхности оксида алюминия
|
|
|
|
Оксид алюминия (Al2O3), также известный как оксид алюминия, корунд, сапфир или рубин, является одним из лучших изоляторов, используемых в широком спектре применений: в электронных компонентах, в качестве материала-подложки для катализаторов или в качестве химически стойкой керамики.
|
|
|
|
Знание точного расположения атомов на поверхности является ключом к пониманию того, как в этом материале протекают химические реакции, например, в каталитических процессах. Атомы внутри материала расположены в определенном порядке, что приводит к появлению характерных форм кристаллов.
|
|
|
|
Однако на поверхности структура отличается от структуры внутри кристалла. Высокая теплоизоляционная способность оксида алюминия препятствовала экспериментальным исследованиям, а структура поверхности не поддавалась точному определению более полувека. Исследователи из Венского технического университета и Венского университета в настоящее время разгадали сложную структуру поверхности Al2O3, которая в 1997 году была включена в список "трех загадок науки о поверхности". Исследовательская группа под руководством Яна Балайки и Ульрике Дибольд опубликовала свои результаты в журнале Science.
|
|
|
 |
|
|
|
Исследовательская группа использовала бесконтактную атомно-силовую микроскопию (ncAFM) для анализа структуры поверхности. Этот метод позволяет получать изображения структуры поверхности путем сканирования острым наконечником, установленным на кварцевом камертоне на близком расстоянии от поверхности. Частота камертона изменяется по мере того, как его наконечник взаимодействует с атомами на поверхности, не касаясь материала.
|
|
|
|
Йоханна Хютнер, проводившая эксперименты, объясняет: "На изображении, полученном с помощью ncAFM, можно увидеть расположение атомов, но не их химическую принадлежность. Мы преодолели недостаток химической чувствительности, точно контролируя наконечник. Прикрепление единственного атома кислорода к вершине наконечника позволило нам различать атомы кислорода и алюминия на поверхности.
|
|
|
|
"Атом кислорода на наконечнике отталкивается другими атомами кислорода на поверхности и притягивается к атомам алюминия на поверхности Al2O3. Отображение локального отталкивания или притяжения позволило нам непосредственно визуализировать химическую принадлежность каждого поверхностного атома".
|
|
Реструктуризация стабилизирует поверхность без изменения ее состава
|
|
|
|
Исследователи обнаружили, что поверхность перестраивается, позволяя атомам алюминия на поверхности проникать в материал и образовывать химические связи с атомами кислорода в более глубоких слоях. Такая перестановка первых двух атомных слоев значительно снижает энергию, эффективно стабилизируя структуру. В отличие от предыдущих представлений, численное соотношение атомов алюминия и кислорода остается неизменным.
|
|
|
|
Трехмерная модель поверхности оксида алюминия была оптимизирована с помощью методов машинного обучения. Основная задача заключалась в том, чтобы сопоставить реструктурированную поверхность с расположенным под ней кристаллом.
|
|
|
|
"Структура очень сложная, что приводит к огромному количеству возможностей для того, как могут быть расположены экспериментально недоступные атомы под поверхностью. Современные алгоритмы машинного обучения в сочетании с традиционными вычислительными методами позволили нам изучить многочисленные возможности и создать стабильную трехмерную модель поверхности оксида алюминия", - говорит Андреа Конти, который проводил компьютерное моделирование.
|
|
|
|
"Благодаря совместным экспериментальным и вычислительным исследованиям мы не только разгадали давнюю тайну, определив детальную структуру этого загадочного изолятора, но и открыли принципы проектирования структуры, применимые к целому классу материалов. Наши результаты открывают путь к достижениям в катализе, материаловедении и других областях", - говорит Ян Балайка, возглавлявший исследование.
|
|
|
|
Источник
|
