В простом, но достаточно значимом, эксперименте исследователи из Университета Кастилии – Ла Манчи (University of Castilla-La Mancha – UCLM) показали проблему, которая возникает с некоторыми самосборными наноматериалами. Ученые показали, что защитить пленки со структурой из наночастиц от окисления может оказаться значительно труднее, чем это обычно предполагается.

Важно избежать окисления, и поэтому традиционно принято образцы тонких пленок покрывать защитными слоями толщиной максимум в несколько десятков нанометров. Эта практика должна стать, по-видимому, более строгой и прецизионной, когда дело идет о защите пленок из наночастиц.

Группа испанских исследователей из Группы Магнитных Материалов Университета Кастилии – Ла Манчи, вдохновленная рядом публикаций известных авторов, поставила серию экспериментов для проверки химической стабильности сильно защищенных пленок из кластеров кобальта, изготовленных методом низкоэнергетического напыления. Ученые предполагали исследовать магнитные взаимодействия между наночастицами в кластерных гранулированных материалах. В работе использовались заранее сформированные наночастицы, подававшиеся газовой струей во вторичную камеру, где на основное покрытие наносился защитный слой меди или титана толщиной порядка 200 нм методом радиочастотного PVD (physical vapor deposition) или высоко температурного испарения.

Кластерная пленка до депонирования защитного покрытия (изображение получено на просвечивающем электронном микроскопе)

Было неожиданно определено, что такие пленки окисляются в течение периода времени от нескольких часов до нескольких дней, невзирая на толстый защитный слой. В последующих экспериментах толщина защитного слоя была увеличена до 1 мкм, что не принесло существенных улучшений – окисление кластерной тонкой пленки происходило примерно с той же скоростью. Очевидно, что окисление происходило от двух основных причин – потери магнетизации и появления эффекта перемены полюсов, типичного для подобного вида нанокомпозитов (здесь Со – СоО). Однофазная природа петли гистерезиса показала однородную оксидацию пленки.

Несмотря на то, что для подтверждения потребуются тщательные исследования с использованием просвечивающей электронной микроскопии, авторы, тем не менее, предположили механизм окисления. По их мнению исключительно высокая пористость пленок из наночастиц (см. фото) распространяется даже в защитный слой, открывая доступ кислорода. При проникновении кислорода внутрь кластерной пленки процесс окисления частиц кобальта упрощается вследствие слабых связей и между кластерами и между нанопленкой и защитным слоем.

Результаты работы опубликованы в интернет-журнале Nanotechnology (J A De Toro et al. The oxidation of metal-capped Co cluster films under ambient conditions, – 2009 Nanotechnology 20 085710 (5pp) doi: 10.1088/0957–4484/20/8/085710).

Евгений Биргер