Qu B, van Benthem K. In-situ anisotropic growth of nickel oxide nanostructures through layer-by-layer metal oxidation[J]. Scripta Materialia, 2022, 214: 114660.
Qu, Boyi, et al. "In-situ anisotropic growth of nickel oxide nanostructures through layer-by-layer metal oxidation." Scripta Materialia 214 (2022): 114660.
Qu, B., & van Benthem, K. (2022). In-situ anisotropic growth of nickel oxide nanostructures through layer-by-layer metal oxidation. Scripta Materialia, 214, 114660.
背景简介
一维纳米结构,如纳米管、纳米线和纳米棒等,由于相比传统块体材料,其具有更加出色的物理性质,因此有望在各个重要领域内得到应用。对于纳米结构金属氧化物的生长,来自气相的吸附原子通常附着在台阶边缘,而生长的纳米结构或氧化层中的螺旋位错则为反应物提供了扩散路径。本研究通过原位高分辨率的TEM表征方法为镍氧化物在掩埋的原子平面Ni/NiO界面上逐层反应生长提供了直接的证据。NiO的各个层通过壁架移动生长,即沿着氧化物/金属界面的断开迁移。界面上的氧化受氧空位迁移的控制,而氧化物/金属界面与气相之间的连接处是成核的关键位置。这项研究证明了terrace-ledge-kink晶体生长模型在内部异质界面反应晶体生长过程中的适用性。
成果介绍
(1)在650℃和0.002 Pa下,通过原位TEM技术手段记录了NiO纳米结构的长大,NiO开始生长后,NiO/Ni界面在整个过程中基本保持平坦。NiO纳米结构和收缩的Ni纳米颗粒之间的界面平行于NiO和Ni中的(111)面。在整个纳米结构生长过程中,观察NiO和Ni中的晶格条纹对比可以看出,这两种相都保持固态和结晶态。从表面观察到NiO纳米棒和Ni纳米粒子的晶面间距比值为1.2±0.1,与NiO和Ni的晶格常数比1.18一致。(图1)
图1 650 ℃和0.002 Pa下NiO长大的原位TEM观测图
(2)在不同时间各个台阶在NiO/Ni界面上出现,随后发生消失。在不同时间的台阶,晶格平面通过单个台阶沿界面平面移动而变化。据此可以推测,纳米结构NiO的长大是逐层发生的。(图2)
图2 650 ℃和0.002 Pa下NiO的原位TEM的翻转图
(3)Ni的氧化发生在沿着NiO/Ni界面的扭结处。氧化物的逐层生长通过界面台阶的迁移进行,同时以收缩Ni的纳米颗粒为代价。这种描述在现象学上类似于在陶瓷中晶界迁移致裂概念。因此,氧气会沿着{111}界面的<110>方向来推进扭结的移动。结果表明,在界面NiO平面内产生了氧空位,该空位向着NiO/Ni界面与气相之间的三联点迁移。这一过程使氧阴离子从气相供应,用于随后的氧化反应,以促进扭结的移动。(图3)
图3 NiO纳米结构生长机制的2D模型
致谢
该研究工作得到了美国国家科学基金的支持。
本期小编:王康康(整理)
闵 琳(校对)
舒 阳(审核)
闵 琳(发布)
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