Interfacial bonding, wettability and reactivity in metal/oxide systems

(Received 28 February 1994, accepted 20 June 1994)

Abstract
Pure non-reactive metals develop weak interactions with iono-covalent oxides (insulators) which can be both physical (van der Waals) and chemical (low density interfacial electronic states). As a result, non-wetting is generally observed, the contact angle being larger than 90 degrees. Improvement of wetting can be obtained by alloying the metal with a reactive solute B capable of modifying in a favourable sense the metal/oxide interface. This can be achieved via two mechanisms depending on the strength of the interactions between solute B and dissolved oxygen. For moderate O-B interactions, the solute B can modify the liquid-side of the interface by adsorption of OB clusters, the oxygen coming from the dissolution of the oxide substrate. This mechanism can lead to a decrease of down to 60 . For strong O-B interactions, the solute B can also lead to the precipitation at the solid-side of the interface of a new phase. When this new phase features metallic bonding, wetting can be strongly improved and nearly perfect wetting can be obtained.

Résumé
La liaison interfaciale entre un métal pur non réactif et un oxyde iono-covalent (isolant) est généralement assurée par de faibles interactions de type physique (van der Waals) et chimique (états électroniques interfaciaux de faible densité). Par conséquent, un mauvais mouillage est observé, caractérisé par un angle de contact supérieur à 90 . Un moyen d'améliorer le mouillage est de rajouter, dans une matrice métallique, un soluté B capable de modifier favorablement l'interface métal/oxyde. Cet effet est obtenu via deux mécanismes, dépendant de la force des interactions entre le soluté B et l'oxygène dissous. Pour des interactions 0-B modérées, l'interface côté liquide peut être modifiée par adsorption de clusters OB, l'oxygène provenant de la dissolution du substrat d'oxyde. Ce mécanisme entraîne une diminution de jusqu'à des valeurs de l'ordre de 60 . Pour de fortes interactions 0-B, l'élément B peut conduire à la précipitation d'une nouvelle phase à l'interface. Lorsque ce produit possède un caractère partiellement métallique, le mouillage est amélioré de façon significative, un mouillage presque parfait pouvant être obtenu.