釜山大学开发高温抑制铜氧化新技术…通过ASE工艺揭示超微细硅膜效果

by Jo Chunghyeon

Published 11 Feb.2025 11:03(KST)

Updated 01 Aug.2025 12:34(KST)

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釜山大学-成均馆大学-密西西比州立大学，验证抑制氧化的硅·氧·铜 사이콕스层

在铁、镍等其他金属表面也形成 SiFeOx、SiNiOx 层，确认可阻断高温氧化

釜山大学（校长 Choi Jaewon）光机电一体化工学科名誉教授 Jung Seyoung 研究团队与成均馆大学、美国密西西比州立大学联合研究团队于11日表示，他们通过引入仅有一个原子层厚度的阻挡膜，在完全保持铜电导率的同时，成功开发出一种可在高温下抑制氧化的突破性技术。

研究团队利用 ASE（Atomic Sputtering Epitaxy，原子溅射外延）方法在铜表面沉积硅（Si），并证实即使在400℃的高温下，也能抑制金属表面的氧化。

“ASE方法”是釜山大学 Jung Seyoung 教授课题组开发的一项薄膜生长技术，可在无晶粒边界（grain boundary）的条件下，将金属薄膜生长到原子单层级别、粗糙度约0.2纳米的水平。

通常情况下，铜在室温下就会发生氧化，温度越高，氧化速度越是急剧增加。Jung Seyoung 教授研究团队在此前发表于《Nature 603, 434 (2022)》的研究中曾指出，如果铜表面呈现原子单层台阶形态（超平坦表面），即可在室温下抑制氧化。然而，即便是具有超平坦表面的铜薄膜，一旦受热仍会发生氧化，并根据氧化层厚度呈现出不同的颜色。

在本次研究中，研究团队尝试通过引入一种“固定元素”，将以物理吸附状态持续存在于铜表面的氧牢牢固定在表面，从而抑制氧化。利用第一性原理计算对多种固定元素候选进行了筛选，最终获得了硅（Si）最为适合的理论依据，并进一步阐明在表面单原子层内会形成“Psychox：硅（Si）—氧（O）—铜（Cu）元素之间的强键合结构”。

实验验证理论计算结果表明，沉积了硅（Si）的单晶铜表面在400℃下仍能抵御氧化，而沉积了硅的普通铜箔在约300℃之前也能有效防止氧化。此外，在铁（Fe）、镍（Ni）等多种金属材料上，同样确认到高温（400℃）氧化得到了抑制。

具体而言，研究团队发现，当硅（Si）通过 ASE 方法以原子级形式溅射到铜表面时，会插入原本处于弱键合状态的铜与氧之间，形成一层强键合层（Si-Cu-Ox，Psychox），从而在高温环境下阻断氧化过程。

Scicox抗氧化阻隔膜研究示意图。

铜的电阻率为 1.72×10-6 Ω·cm，具有极为优异的电导率。许多人认为金（Au）的电阻率会更低，但实际上金的电阻率为 2.44×10-6 Ω·cm，比铜更高。尽管如此，金在诸多领域被广泛应用的原因在于其耐氧化性强、在高温环境下极为稳定。然而，金价昂贵，一直是其应用拓展的重大制约因素。

通过对铜表面进行化学涂层处理，将氧化温度抑制在约60℃左右的技术已于2022年发表于《Nature》，可见铜在高温下的氧化问题仍然是一个重要课题。然而，这类表面涂层方式会增加电阻率，难以保持铜本身优异的电学特性。同样，材料科学中发展出的合金化技术虽然在防止氧化方面可能有效，但在维持电导率方面却存在困难。因此，迫切需要一种既能解决铜的氧化问题，又能保持其固有特性的创新性替代方案。

研究团队此前首次开发了 ASE 方法，并成功在无晶粒边界的条件下生长出二维铜薄膜。在本次研究中，研究团队同样采用 ASE 方法，无论是铜薄膜、铜箔、沉积在聚合物上的铜，还是表面粗糙的多晶铜表面等各种形态的铜表面，都能将 Si 颗粒极为均匀地涂覆其上，形成 Psychox 层。形成于最外层表面内、仅一原子层厚度的膜（Psychox），在有效阻断高温氧化的同时，几乎完全保持了铜原有的电学特性。

本次研究通过引入一个原子层厚度的阻挡膜，在有效抑制高温氧化的同时几乎保持了铜的电学特性，是一项具有创新性的技术，有望在未来大幅拓展铜在电极材料等领域的应用潜力。

本次通过沉积 Si 形成 Psychox 层，从而在高达400℃的高温下阻断氧化的研究成果，以“An impermeable copper surface monolayer with high-temperature oxidation resistance（具有高温抗氧化能力的不可渗透铜单原子层表面）”为题，发表于世界知名材料科学专业期刊《自然·通讯》（Nature Communications）2月8日在线版。

该研究在三星未来技术培育项目及科学技术信息通信部的支持下完成，由釜山大学光机电一体化工学科名誉教授 Jung Seyoung、成均馆大学能源科学科教授 Kim Youngmin、美国密西西比州立大学物理天文学科教授 Kim Sungkon 担任共同通讯作者，釜山大学单晶研究所博士 Kim Sujae、成均馆大学能源科学科博士 Kim Younghun（现为美国橡树岭国家实验室博士后研究员）担任共同第一作者。