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为探究氧原子在碳表面异质复合系数差异问题，研究人员以氧化钴为基底，用等离子增强化学气相沉积（PECVD）制备垂直取向多层石墨烯，在 300 - 800 K、40 - 200 Pa 范围测量系数。发现表面形态影响显著，高 aspect ratio 间隙使系数增超一个量级，为相关技术提供依据。
在材料表面处理与等离子体应用领域，氧原子的异质表面复合过程一直是影响技术效果的关键环节。例如在聚合物亲水化、光刻胶灰化、石墨烯掺杂等场景中，氧原子的复合行为直接决定了工艺的效率与质量。然而，现有研究显示，不同碳材料表面的氧原子复合系数存在显著差异，从 10??到 0.6 不等，这种差异背后的机制尚未完全明晰，尤其是表面形貌和晶体结构对复合过程的影响亟待深入探索。为了填补这一知识空白，斯洛文尼亚研究人员针对垂直取向多层石墨烯（一种具有独特几何结构的碳材料）表面的氧原子复合动力学展开研究，相关成果发表在《Applied Surface Science》。
研究团队以纯度 99.8% 的钴箔为基底，将其切割为 3 mm 直径的圆盘并通过氧等离子体氧化处理，形成稳定氧化膜。随后采用等离子增强化学气相沉积（PECVD）技术，以丙烷为碳前驱体，在不同沉积时间（1 - 300 s）下制备纳米碳沉积物，构建垂直取向多层石墨烯体系。研究中利用感应耦合射频等离子体（H-mode）产生氧原子，通过测量 300 - 800 K 温度范围、40 - 200 Pa 压力条件下的复合系数，结合扫描电子显微镜（SEM）对表面形貌的表征，揭示形貌演化与复合动力学的关联。
实验方法
- 基底预处理：钴箔经氧等离子体氧化，形成稳定氧化膜以确保复合系数的稳定性。
- 纳米碳沉积：通过 PECVD 技术，在氧化钴基底上沉积垂直取向多层石墨烯，控制沉积时间以调控表面形貌。
- 氧原子产生与测量：利用 H-mode 感应耦合氧等离子体的余辉作为氧原子源，系统测量不同温度、压力下的复合系数。
结果与讨论
- 表面形貌演化：沉积初期，钴表面形成光滑碳膜，此时复合系数出现 0.03 - 0.06 的极小值。随着沉积时间延长（超 100 s），垂直取向多层石墨烯片生长，相邻片层间距约 100 nm，间隙深度达数微米，形成高纵横比（aspect ratio）结构。这种结构导致氧原子被俘获，增加与类石墨烯表面的碰撞次数，使复合系数显著提升超一个量级，在低压高温条件下最高达 0.5 以上。
- 机制分析：复合系数的变化与石墨烯表面氧原子结合位点的特性相关。光滑表面的低复合系数归因于较少的活性位点，而垂直取向结构的高比表面积和复杂间隙提供了更多吸附与复合位点，符合 Eley-Rideal（ER）模型中低能垒的垂直复合路径。
结论
该研究系统揭示了垂直取向多层石墨烯表面氧原子异质复合的动力学规律，证实表面形貌（如高纵横比间隙结构）是调控复合系数的关键因素。研究结果解释了文献中不同碳材料复合系数差异的根源 —— 晶体缺陷与纳米级粗糙度可显著提升复合效率。这一发现为等离子体处理技术中碳基材料的设计提供了理论依据，尤其在半导体制造、能源存储（如超级电容器）等领域具有应用潜力，有助于通过优化材料形貌增强氧原子利用效率，推动相关工艺的发展与革新。
