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Nature丨轻元素材料团队实现A4纸尺寸、高指数面单晶铜箔库的可控制备
发布时间:2020-05-28 浏览:1047 次

2020年5月27日,松山湖材料实验室/北京大学刘开辉研究员、王恩哥院士研究团队与合作者,在顶级学术期刊Nature上发表了题为“Seeded growth of large single-crystal copperfoils with high-index facets”的研究论文,在国际上首次报道利用表界面调控控制成核和单核异常长大技术实现30余种晶面、A4纸尺寸单晶铜箔库的可控制备。

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单晶铜具有单一取向,材料内部不存在晶界、缺陷密度非常低,表现出优异的电学、热学和催化性能。单晶铜的电阻和交流阻抗更低,在电力传输领域以及电子工业领域有非常广阔的市场前景;单晶铜柔韧性更好,在柔性电子线路领域潜力巨大;同时单晶铜是获得特殊结构和功能的二维材料单晶薄膜和有机分子单晶薄膜可控制备的关键衬底。然而,当前商业化单晶金属一般是通过切割块体单晶铸锭获得,成本昂贵且尺寸小,无法精准制备出各种高指数晶面。因此,开发大尺寸、丰富指数晶面单晶铜箔的宏量制造技术在材料科学和工程应用上具备重要的科学意义和技术价值。

近年来,刘开辉研究员带领的轻元素材料团队在大尺寸单晶铜箔制备及相关研究取得了一系列的研究成果。利用高温退火技术实现米级单晶Cu(111)的制备,并以其为衬底成功实现米级单晶石墨烯薄膜的超快外延制备(Nature Chemistry 2019, 11, 730;Science Bulletin 2017, 62, 1074;Nature Nanotechnology 2016, 11, 930);制备得到具有非中心反演对称性的近邻Cu(110)单晶衬底,并成功外延合成分米级二维绝缘体氮化硼单晶薄膜(Nature 2019, 570, 91)。

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图1. 表界面调控控制成核及单核异常长大制备大尺寸、高指数晶面单晶铜箔

在前期研究基础上,刘开辉领导的轻元素材料团队通过系统研究铜箔再结晶过程中晶粒长大的热力学和动力学过程,发现不经处理的多晶铜箔在高温退火过程中会优先形成表面能最低的Cu(111)晶畴,而预氧化处理能够将(111)晶面在能量上的绝对优势打破,实现非最低表面能的高指数晶面“成核”;而通过构造合适的温度梯度,驱动单个“核”不断异常长大,最终实现大尺寸单晶铜箔的制备(图1)。基于这一原理,团队成功制备出多达30余种高指数晶面单晶铜箔库,典型单晶铜箔照片及晶体学表征如图2所示。同时,研究团队以所制备的单晶铜箔作为“籽晶”置于大尺寸商业多晶铜箔上,通过特殊的工艺,成功地将“籽晶”的晶向完美地复制到了多晶铜箔上,实现特定晶面大尺寸单晶铜箔和单晶铜锭的定向精准制造。

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图2. 不同晶面指数的A4尺寸单晶铜箔库

这一成果实现了世界上最大尺寸、晶面指数最全的单晶铜箔库的可控制备,所提出的晶面指数调控机理和技术可以进一步推广到其他金属材料的单晶制造。因此,该工作对于单晶金属的制造及应用将产生重大的影响。

轻元素材料团队作为首批入驻松山湖材料实验室的创新团队,聚焦国家重大战略需求及产业化核心技术研发,致力于高品质单晶铜箔、单晶石墨烯、单晶六方氮化硼薄膜批量制备,结合大型装备研发,发展大尺寸、大单晶、超洁净轻元素单晶材料的规模化制备技术,形成高品质轻元素单晶材料的生产示范线,开发一系列高品质轻元素单晶材料产品,配套研发一系列颠覆性先进声光电器件,掌握高质量轻元素单晶材料与器件制备的关键技术。

吴慕鸿、张志斌、徐小志、张智宏为论文共同第一作者,松山湖材料实验室/北京大学刘开辉、王恩哥,南方科技大学俞大鹏,韩国蔚山科学技术院丁峰为论文通讯作者。该研究成果得到了自然科学基金委、科技部、广东省等的大力支持。



素材来源:轻元素材料团队

撰稿:综合事务管理部