由于在晶體外延、催化、電子和熱工程中的潛在應(yīng)用，具有各種晶面指數(shù)的大型單晶金屬箔的生產(chǎn)一直是材料科學(xué)領(lǐng)域的追求。對于給定金屬，只有三組低指數(shù)刻面（{100}、{110} 和{111}）。相比之下，高折射率表面原則上不受限制，可以提供更豐富的表面結(jié)構(gòu)和性能。然而，具有高折射率面的單晶箔的受控制備具有挑戰(zhàn)性，因為與低折射率面相比，它們在熱力學(xué)和動力學(xué)上都不有利。

2020年5月27日，劉開慧研究員與北京大學(xué)王恩哥院士、南方科技大學(xué)于大鵬院士、韓國蔚山科學(xué)技術(shù)學(xué)院丁峰教授共同發(fā)表了題為《Seeded Growth》的論文高折射率刻面大型單晶銅箔的制備》研究論文，在高折射率單晶銅箔的制造方向上取得了重要進(jìn)展。該研究創(chuàng)造性地提出了晶面界面調(diào)控的“變異與遺傳”生長機(jī)制，并在國際上首次實現(xiàn)了最完整、最大的高折射率晶面單晶銅箔庫的制造。

總之，該研究成果首次實現(xiàn)了國際上尺寸最大、晶面指數(shù)最全面的單晶銅箔庫的可控制備。它在單晶金屬研究、二維材料生長、表面界面催化、低損耗電傳輸、高頻電路板和高散熱器件領(lǐng)域具有開創(chuàng)性意義。

銅在現(xiàn)代信息社會中發(fā)揮著極其重要的作用，廣泛應(yīng)用于電氣、電子、通信、國防等關(guān)鍵領(lǐng)域。然而，目前市場上的商業(yè)銅基本上是多晶銅，其存在各種缺陷，顯著降低了電子和聲子的傳輸效率。

理論上，具有完美晶體結(jié)構(gòu)的單晶銅可以最大限度地發(fā)揮銅固有的電學(xué)和熱學(xué)性能，有望在低損耗、高散熱功率和電子器件應(yīng)用中產(chǎn)生重要影響。此外，近年來隨著二維材料研究的興起，銅已廣泛應(yīng)用于二維單晶材料的外延制備。具有不同折射率晶面的單晶銅箔襯底是外延生長不同結(jié)構(gòu)的二維單晶材料的基礎(chǔ)。因此，制備大尺寸、多折射率晶面的單晶銅箔是業(yè)界和科研界亟待解決的科技問題。

在材料科學(xué)中，單晶銅箔根據(jù)晶面指數(shù)可分為兩類：低指數(shù)晶面和高指數(shù)晶面。如圖1所示，低折射率晶面只有Cu(001)、Cu(011)和Cu(111)三種類型，而高折射率晶面理論上有無限種類型。 2016年以來，劉開輝及其合作者在低折射率晶面銅單晶研究方面取得了一系列進(jìn)展：在單晶Cu(111)上超快外延制備米級石墨烯單晶； ）在單晶上實現(xiàn)分米級二維六方氮化硼單晶外延制備。與低折射率晶面相比，高折射率晶面銅箔可以提供更豐富的表面結(jié)構(gòu)，可以大大拓寬外延制備的二維材料體系的類型。然而，傳統(tǒng)的退火方法通常只能獲得表面能最低的Cu(111)單晶。高折射率晶面結(jié)構(gòu)在熱力學(xué)和動力學(xué)上不具備優(yōu)勢，其可控制備極具挑戰(zhàn)性。

圖1 不同晶面指數(shù)的單晶銅箔原子結(jié)構(gòu)示意圖

針對這一問題，研究團(tuán)隊開發(fā)了一種新的退火技術(shù)，實現(xiàn)銅箔再結(jié)晶過程的熱力學(xué)和動力學(xué)控制（圖2a）。與傳統(tǒng)的退火工藝不同，通過設(shè)計的預(yù)氧化工藝可以在銅箔表面形成一層氧化物。銅與氧化銅之間界面的形成使得傳統(tǒng)的“最小表面能原理”不再是晶面形成的主要驅(qū)動力。從而大大提高了高折射率晶面“核”的形成概率；通過設(shè)計的還原氣氛退火工藝消除動態(tài)晶界，實現(xiàn)高折射率晶面“核”的異常生長，從而制備出A4紙大尺寸高折射率晶面單晶，具有30多個晶面類型（圖2b-c）。同時，將制備好的單晶銅箔作為“籽晶”，誘導(dǎo)多晶銅箔轉(zhuǎn)變成與“籽晶”晶向相同的單晶，從而實現(xiàn)大尺寸單晶的制備。具有特定晶面的結(jié)晶銅箔。單晶銅錠的定向“復(fù)制”制造。此外，該方法也普遍適用于其他單晶金屬箔的制備。

圖2 不同折射率晶面、A4紙尺寸的單晶銅箔的可控制備

該研究成果首次實現(xiàn)了國際上尺寸最大、晶面指數(shù)最全的單晶銅箔庫的可控制備。它在單晶金屬研究、二維材料生長、表面和界面催化、低損耗電傳輸、高頻電路板和高散熱器件等領(lǐng)域具有開創(chuàng)性意義。

吳慕紅、張志斌、徐曉智、張志宏為論文共同第一作者，劉開慧、丁峰、于大鵬、王恩哥為論文通訊作者。研究成果得到國家自然科學(xué)基金委、科技部、北京市科委等相關(guān)項目以及北京人工微結(jié)構(gòu)與介觀物理國家重點實驗室的大力支持大學(xué)、量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心、電子顯微鏡實驗室。

注：分析參考北京大學(xué)官網(wǎng)介紹。

解析鏈接：

http://news.pku.edu.cn/jxky/f212336ea15448da96aff52099f0445b.htm

參考消息：

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2298-5