残余金属层在Fe薄膜热氧化生长α-Fe2O3纳米线中的关键作用及机制研究

本研究通过扫描电镜(SEM)和深度敏感X射线吸收近边结构(XANES)技术，揭示了Fe薄膜热氧化过程中α-Fe2O3纳米线的生长机制，发现残余金属层作为铁原子扩散源的关键作用，为设计高比表面积的 hematite 基纳米器件提供了重要指导。

　　

在能源催化与传感领域，金属氧化物纳米结构因其高比表面积和可调控性能备受关注。其中， hematite (α-Fe₂O₃)纳米线因其在光电催化水分解和气体传感中的优异表现成为研究热点。然而，传统制备方法多基于块体材料或微米级粉末，难以精确控制纳米线形貌与密度，且对其生长机制存在争议——究竟是表面铁原子扩散还是底层金属扩散主导了这一过程？这一问题的解答对实现纳米器件的可控合成至关重要。

针对这一挑战，意大利帕多瓦大学（Università degli Studi di Padova）的C. Maurizio团队在《Applied Physiology Nutrition and Metabolism》发表了创新性研究。研究人员采用磁控溅射制备40-150 nm厚度铁薄膜，通过300°C空气退火诱导纳米线生长，结合扫描电子显微镜(SEM)、掠入射X射线衍射(GIXRD)和同步辐射X射线吸收谱(XANES)等先进表征技术，首次揭示了残余金属层在纳米线生长中的决定性作用。

关键技术包括：1) 磁控溅射制备不同厚度铁薄膜；2) 空气退火温度梯度控制；3) 荧光/全电子产率双模式XANES深度分析；4) SEM原位观察纳米线形貌演化。

3. 结果与讨论
形貌控制：SEM显示150 nm厚薄膜退火6小时后形成密集纳米线（密度≈50 μm^-2），而40 nm薄膜仅生成零星纳米线，表明存在约70 nm的临界厚度阈值。
结构演化：GIXRD证实氧化过程依次生成Fe₃O₄中间层和α-Fe₂O₃表层，XANES排除了γ-Fe₂O₃相的存在。
生长机制：截面SEM发现原始表面被埋入氧化层中，结合XANES深度分析提出"三明治"模型——金属Fe底层通过氧化物缺陷通道向外扩散铁原子，在表面氧化形成纳米线，该过程持续至金属层完全消耗（约6小时）。

4. 结论
研究明确了纳米线生长的两个必要条件：1) 初始铁膜厚度≥70 nm以保证残余金属层存在；2) 形成约100 nm氧化层以建立扩散梯度。这一发现突破了传统认为表面扩散主导的观点，为 hematite 纳米器件的厚度设计与工艺优化提供了定量标准。该机制具有基底普适性（Si/SiO₂/聚酰亚胺均适用），对开发高性能光阳极和气体传感器具有重要指导价值。通过精确控制金属/氧化物层厚度比，未来可实现对纳米线密度与长径比的精准调控。