Nanostructured zirconium dioxide (zirconia) films are very promising for catalysis and biotechnological applications: a precise control of the interfacial properties of the material at different length scales and, in particular, at the nanoscale, is therefore necessary. Here, we present the characterization of cluster-assembled zirconia films produced by supersonic cluster beam deposition possessing cubic structure at room temperature and controlled nanoscale morphology. We characterized the effect of thermal annealing in reducing and oxidizing conditions on the crystalline structure, grain dimensions, and topography. We highlight the mechanisms of film growth and phase transitions, which determine the observed interfacial morphological properties and their resilience against thermal treatments.

1.
P. M.
Kelly
and
L. R.
Francis Rose
,
Prog. Mater. Sci.
47
,
463
(
2002
).
2.
J.
Chevalier
,
L.
Gremillard
,
A. V.
Virkar
, and
D. R.
Clarke
,
J. Am. Ceram. Soc.
92
,
1901
(
2009
).
3.
C.
Piconi
and
G.
Maccauro
,
Biomaterials
20
,
1
(
1999
).
4.
J.
Duval
,
J.
Lyklema
,
J. M.
Kleijn
, and
H. P.
van Leeuwen
,
Langmuir
17
,
7573
(
2001
).
5.
K.
Tanabe
and
T.
Yamaguchi
,
Catal. Today
20
,
185
(
1994
).
6.
C.-C.
Chao
,
C.-M.
Hsu
,
Y.
Cui
, and
F. B.
Prinz
,
ACS Nano
5
,
5692
(
2011
).
7.
R. J.
Gorte
,
S.
Park
, and
J. M.
Vohs
,
Nature
404
,
265
(
2000
).
8.
P. D. L.
Mercera
,
J. G.
Van Ommen
,
E. B. M.
Doesburg
,
A. J.
Burggraaf
, and
J. R. H.
Ross
,
Appl. Catal.
57
,
127
(
1990
).
9.
P. D. L.
Mercera
,
J. G.
van Ommen
,
E. B. M.
Doesburg
,
A. J.
Burggraaf
, and
J. R. H.
Ross
,
Appl. Catal.
71
,
363
(
1991
).
10.
K.
Tanabe
,
Mater. Chem. Phys.
13
,
347
(
1985
).
11.
I.
Denry
and
J.
Kelly
,
Dent. Mater.
24
,
299
(
2008
).
12.
D.-J.
Kim
,
J. Eur. Ceram. Soc.
17
,
897
(
1997
).
13.
Y.
Natanzon
,
M.
Boniecki
, and
Z.
Łodziana
,
J. Phys. Chem. Solids
70
,
15
(
2009
).
14.
M. H.
Bocanegra-Bernal
and
S. D.
de la Torre
,
J. Mater. Sci.
37
,
4947
(
2002
).
15.
K.
Castkova
,
H.
Hadraba
, and
J.
Cihlar
,
Ceram.-Silik.
48
,
85
(
2004
).
16.
J. J.
Swab
,
J. Mater. Sci.
26
,
6706
(
1991
).
17.
G. H.
Kenner
,
W. D.
Pasco
,
J. T.
Frakes
, and
S. D.
Brown
,
J. Biomed. Mater. Res.
9
,
63
(
1975
).
18.
S.
Shukla
,
S.
Seal
,
R.
Vij
,
S.
Bandyopadhyay
, and
Z.
Rahman
,
Nano Lett.
2
,
989
(
2002
).
19.
F.
Namavar
,
C. L.
Cheung
,
R. F.
Sabirianov
,
W.-N.
Mei
,
X. C.
Zeng
,
G.
Wang
,
H.
Haider
, and
K. L.
Garvin
,
Nano Lett.
8
,
988
(
2008
).
20.
N.-L.
Wu
,
T.-F.
Wu
, and
I. A.
Rusakova
,
J. Mater. Res.
16
,
666
(
2001
).
21.
S.
Jayakumar
,
P. V.
Ananthapadmanabhan
,
T. K.
Thiyagarajan
,
K.
Perumal
,
S. C.
Mishra
,
G.
Suresh
,
L. T.
Su
, and
A. I. Y.
Tok
,
Mater. Chem. Phys.
140
,
176
(
2013
).
22.
R. C.
Garvie
,
J. Phys. Chem.
69
,
1238
(
1965
).
23.
R. C.
Garvie
,
J. Phys. Chem.
82
,
218
(
1978
).
24.
A.
Suresh
,
M. J.
Mayo
,
W. D.
Porter
, and
C. J.
Rawn
,
J. Am. Ceram. Soc.
86
,
360
(
2003
).
25.
Y.
Cong
,
B.
Li
,
S.
Yue
,
D.
Fan
, and
X.
Wang
,
J. Phys. Chem. C
113
,
13974
(
2009
).
26.
G.
Štefanić
and
S.
Musić
,
Croat. Chem. Acta
75
,
727
(
2002
).
27.
M. J.
Mayo
,
A.
Suresh
, and
W. D.
Porter
,
Rev. Adv. Mater. Sci.
5
,
100
(
2003
).
28.
A. V.
Singh
,
M.
Ferri
,
M.
Tamplenizza
,
F.
Borghi
,
G.
Divitini
,
C.
Ducati
,
C.
Lenardi
,
C.
Piazzoni
,
M.
Merlini
,
A.
Podestà
, and
P.
Milani
,
Nanotechnology
23
,
475101
(
2012
).
29.
P. E.
Scopelliti
,
A.
Borgonovo
,
M.
Indrieri
,
L.
Giorgetti
,
G.
Bongiorno
,
R.
Carbone
,
A.
Podesta
, and
P.
Milani
,
PLoS ONE
5
,
e11862
(
2010
).
30.
S.
Jaenicke
,
G. K.
Chuah
,
V.
Raju
, and
Y. T.
Nie
,
Catal. Surv. Asia
12
,
153
(
2008
).
31.
F.
Namavar
,
G.
Wang
,
C. L.
Cheung
,
R. F.
Sabirianov
,
X. C.
Zeng
,
W. N.
Mei
,
J.
Bai
,
J. R.
Brewer
,
H.
Haider
, and
K. L.
Garvin
,
Nanotechnology
18
,
415702
(
2007
).
32.
S.
Schlabach
,
D. V.
Szabó
,
D.
Vollath
,
P.
de la Presa
, and
M.
Forker
,
J. Alloys Compd.
434–435
,
590
(
2007
).
33.
A.
Ortiz
,
J. C.
Alonso
, and
E.
Haro-Poniatowski
,
J. Electron. Mater.
34
,
150
(
2005
).
34.
H.
Hahn
and
R. S.
Averback
,
J. Appl. Phys.
67
,
1113
(
1990
).
35.
P.
Piseri
,
H. V.
Tafreshi
, and
P.
Milani
,
Curr. Opin. Solid State Mater. Sci.
8
,
195
(
2004
).
36.
H.
Haberland
,
M.
Karrais
, and
M.
Mall
,
Z. Phys. At. Mol. Clusters
20
,
413
(
1991
).
37.
K.
Wegner
,
P.
Piseri
,
H. V.
Tafreshi
, and
P.
Milani
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
39
,
R439
(
2006
).
38.
E.
Barborini
,
P.
Piseri
, and
P.
Milani
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
32
,
L105
(
1999
).
39.
H. V.
Tafreshi
,
P.
Piseri
,
G.
Benedek
, and
P.
Milani
,
J. Nanosci. Nanotechnol.
6
,
1140
(
2006
).
40.
P.
Piseri
,
A.
Podesta
,
E.
Barborini
, and
P.
Milani
,
Rev. Sci. Instrum.
72
,
2261
(
2001
).
41.
P.-E.
Mazeran
,
L.
Odoni
, and
J.-L.
Loubet
,
Surf. Sci.
585
,
25
(
2005
).
42.
A.
Podestà
, Development of protocols for a quantitative characterization of morphological and tribological properties of nanostructured films via the atomic force microscope, Ph.D. thesis (
Università degli Studi di Milano
,
2001
).
43.
P.
Colombi
,
I.
Alessandri
,
P.
Bergese
,
S.
Federici
, and
L. E.
Depero
,
Meas. Sci. Technol.
20
,
84015
(
2009
).
44.
L.
Rebuffi
,
J. R.
Plaisier
,
M.
Abdellatief
,
A.
Lausi
, and
P.
Scardi
,
Z. Anorg. Allg. Chem.
640
,
3100
(
2014
).
45.
P.
Riello
,
A.
Lausi
,
J.
Macleod
,
J. R.
Plaisier
,
G.
Zerauschek
, and
P.
Fornasiero
,
J. Synchrotron Radiat.
20
,
194
(
2013
).
46.
A. P.
Hammersley
,
S. O.
Svensson
,
M.
Hanfland
,
A. N.
Fitch
, and
D.
Hausermann
,
High Press. Res.
14
,
235
(
1996
).
47.
A. C.
Larson
and
R. B.
Von Dreele
, General Structure Analysis System (GSAS) (
Los Alamos National Laboratory Report LAUR 86–748
,
2000
).
48.
A.
Podestà
,
F.
Borghi
,
M.
Indrieri
,
S.
Bovio
,
C.
Piazzoni
, and
P.
Milani
,
J. Appl. Phys.
118
,
234309
(
2015
).
49.
A.-L.
Barabási
and
H. E.
Stanley
,
Fractal Concepts in Surface Growth
(
Cambridge University Press
,
Cambridge
,
1995
).
50.
Dynamics of Fractal Surfaces
, edited by
F.
Family
and
T.
Vicsek
(
World Scientific
,
Singapore
; River Edge, NJ,
1991
).
51.
S.
Tsunekawa
,
S.
Ito
,
Y.
Kawazoe
, and
J.-T.
Wang
,
Nano Lett.
3
,
871
(
2003
).
53.
R. J.
Borg
and
G. J.
Dienes
,
The Physical Chemistry of Solids
(
Academic Press
,
1992
).
54.
K.-N. P.
Kumar
,
K.
Keizer
,
A. J.
Burggraaf
,
T.
Okubo
, and
H.
Nagamoto
,
J. Mater. Chem.
3
,
1151
(
1993
).
55.
K.-N. P.
Kumar
,
Scr. Metall. Mater.
32
,
873
(
1995
).
56.
G.
Kresse
and
J.
Furthmüller
,
Phys. Rev. B
54
,
11169
(
1996
).
57.
A.
Christensen
and
E. A.
Carter
,
Phys. Rev. B
58
,
8050
(
1998
).
You do not currently have access to this content.