2020年5月27日，北京大學(xué)物理學(xué)院劉開輝研究員、王恩哥院士與南方科技大學(xué)俞大鵬院士、韓國蔚山科學(xué)技術(shù)院丁峰教授等合作在高指數(shù)單晶銅箔制造方向上取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性提出晶體表界面調(diào)控的“變異和遺傳”生長機(jī)制，在國際上首次實(shí)現(xiàn)種類最全、尺寸最大的高指數(shù)晶面單晶銅箔庫的制造。相關(guān)研究成果以“Seeded growth of large single-crystal copper foils with high-index facets”為題在線發(fā)表在《自然》雜志上。
銅在現(xiàn)代信息社會中發(fā)揮著極為重要的作用，被廣泛應(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)用銅基本上都為多晶銅，其中存在的各種缺陷致使電子、聲子輸運(yùn)效率大幅降低。理論上，具備完美晶體結(jié)構(gòu)的單晶銅可將銅的本征電學(xué)和熱學(xué)性能發(fā)揮到極致，預(yù)期會在低損耗、高散熱的電力、電子器件應(yīng)用等方向產(chǎn)生重要影響。另外，近年來隨著二維材料研究的興起，銅被廣泛應(yīng)用于二維單晶材料的外延制備。具備各種指數(shù)晶面的單晶銅箔襯底是實(shí)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)二維單晶材料外延生長的基礎(chǔ)。因此，制備大尺寸、多種指數(shù)晶面的單晶銅箔是產(chǎn)業(yè)界、科研界亟待解決的科學(xué)和技術(shù)問題。
在材料科學(xué)中，單晶銅箔按晶面指數(shù)可以劃分為兩類：低指數(shù)晶面和高指數(shù)晶面。
如圖1所示，其中低指數(shù)晶面僅有Cu(001)、Cu(011)、Cu(111)三種，而高指數(shù)晶面理論上有無限種。2016年以來，劉開輝與合作者已在低指數(shù)晶面銅單晶研究上取得了系列進(jìn)展：在單晶Cu(111)上實(shí)現(xiàn)米級石墨烯單晶的超快外延制備（Nature Chemistry 2019, 11, 730；Science Bulletin 2017, 62, 1074；Nature Nanotechnology 2016, 11, 930）；在近鄰Cu(110)單晶上實(shí)現(xiàn)分米級二維六方氮化硼單晶外延制備（Nature 2019, 570, 91）。與低指數(shù)晶面相比，高指數(shù)晶面銅箔能提供更豐富的表面結(jié)構(gòu)，可極大地拓寬外延制備二維材料體系的種類。然而，傳統(tǒng)退火方法通常只能得到表面能最低的Cu(111)單晶，高指數(shù)晶面結(jié)構(gòu)在熱力學(xué)及動力學(xué)上均不占優(yōu)勢，其控制制備極具挑戰(zhàn)性。
針對這一難題，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展一種全新退火技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對銅箔再結(jié)晶過程中熱力學(xué)和動力學(xué)的控制（圖2a）。與傳統(tǒng)退火工藝不同，通過設(shè)計(jì)的預(yù)氧化過程可以使銅箔表面形成一層氧化物，銅與銅氧化物界面的形成使得傳統(tǒng)的“表面能最低原理”不再是晶面形成的主要驅(qū)動力，從而大幅提高高指數(shù)晶面“核”的形成概率；通過設(shè)計(jì)的還原性氣氛退火過程將動力學(xué)晶界消除，可實(shí)現(xiàn)該高指數(shù)晶面“核”的異常長大，從而制備出A4紙尺寸的高指數(shù)晶面單晶，晶面種類多達(dá)30余種（圖2b-c）。同時，利用制備得到的單晶銅箔作為“籽晶”，可誘導(dǎo)多晶銅箔轉(zhuǎn)化為與“籽晶”具有相同晶向的單晶，從而實(shí)現(xiàn)了特定晶面的大尺寸單晶銅箔和單晶銅錠的定向“復(fù)制”制造。此外，該方法對其他單晶金屬箔制備具有普適性。
該項(xiàng)研究成果首次實(shí)現(xiàn)了世界上最大尺寸、晶面指數(shù)最全的單晶銅箔庫的可控制備，在單晶金屬研究、二維材料生長、表界面催化、低損耗電學(xué)傳輸、高頻電路板、高散熱器件等領(lǐng)域具有開拓性意義。
吳慕鴻、張志斌、徐小志、張智宏為論文共同第一作者，劉開輝、丁峰、俞大鵬、王恩哥為論文通訊作者。該研究成果得到了自然科學(xué)基金委、科技部、北京市科委等相關(guān)項(xiàng)目及北京大學(xué)人工微結(jié)構(gòu)與介觀物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心和電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)室等的大力支持。
