5月27日，松山湖材料實驗室/北京大學劉開輝研究員、王恩哥院士研究團隊與合作者，在頂級學術期刊Nature上發表了題為「Seeded growth of large single-crystal copperfoils with high-index facets」的研究論文，在國際上首次報導利用表界面調控控制成核和單核異常長大技術實現30餘種晶面、A4紙尺寸單晶銅箔庫的可控制備。
單晶銅具有單一取向，材料內部不存在晶界、缺陷密度非常低，表現出優異的電學、熱學和催化性能。單晶銅的電阻和交流阻抗更低，在電力傳輸領域以及電子工業領域有非常廣闊的市場前景；單晶銅柔韌性更好，在柔性電子線路領域潛力巨大；同時單晶銅是獲得特殊結構和功能的二維材料單晶薄膜和有機分子單晶薄膜可控制備的關鍵襯底。然而，當前商業化單晶金屬一般是通過切割塊體單晶鑄錠獲得，成本昂貴且尺寸小，無法精準製備出各種高指數晶面。因此，開發大尺寸、豐富指數晶面單晶銅箔的宏量製造技術在材料科學和工程應用上具備重要的科學意義和技術價值。
近年來，劉開輝研究員帶領的輕元素材料團隊在大尺寸單晶銅箔製備及相關研究取得了一系列的研究成果。利用高溫退火技術實現米級單晶Cu(111)的製備，並以其為襯底成功實現米級單晶石墨烯薄膜的超快外延製備（Nature Chemistry 2019, 11, 730；Science Bulletin 2017, 62, 1074；Nature Nanotechnology 2016, 11, 930）；製備得到具有非中心反演對稱性的近鄰Cu(110)單晶襯底，並成功外延合成分米級二維絕緣體氮化硼單晶薄膜（Nature 2019, 570, 91）。
表界面調控控制成核及單核異常長大製備大尺寸、高指數晶面單晶銅箔
在前期研究基礎上，劉開輝領導的輕元素材料團隊通過系統研究銅箔在結晶過程中晶粒長大的熱力學和動力學過程，發現不經處理的多晶銅箔在高溫退火過程中會優先形成表面能最低的Cu(111)晶疇，而預氧化處理能夠將(111)晶面在能量上的絕對優勢打破，實現非最低表面能的高指數晶面「成核」；而通過構造合適的溫度梯度，驅動單個「核」不斷異常長大，最終實現大尺寸單晶銅箔的製備（圖1）。基於這一原理，團隊成功製備出多達30餘種高指數晶面單晶銅箔庫，典型單晶銅箔照片及晶體學表徵如圖2所示。同時，研究團隊以所製備的單晶銅箔作為「籽晶」置於大尺寸商業多晶銅箔上，通過特殊的工藝，成功地將「籽晶」的晶向完美地複製到了多晶銅箔上，實現特定晶面大尺寸單晶銅箔和單晶銅錠的定向精準製造。
這一成果實現了世界上最大尺寸、晶面指數最全的單晶銅箔庫的可控制備，所提出的晶面指數調控機理和技術可以進一步推廣到其他金屬材料的單晶製造。因此，該工作對於單晶金屬的製造及應用將產生重大的影響。
輕元素材料團隊作為首批入駐松山湖材料實驗室的創新團隊，聚焦國家重大戰略需求及產業化核心技術研發，致力於高品質單晶銅箔、單晶石墨烯、單晶六方氮化硼薄膜批量製備，結合大型裝備研發，發展大尺寸、大單晶、超潔淨輕元素單晶材料的規模化製備技術，形成高品質輕元素單晶材料的生產示範線，開發一系列高品質輕元素單晶材料產品，配套研發一系列顛覆性先進聲光電器件，掌握高質量輕元素單晶材料與器件製備的關鍵技術。
吳慕鴻、張志斌、徐小志、張智宏為論文共同第一作者，松山湖材料實驗室/北京大學劉開輝、王恩哥，南方科技大學俞大鵬，韓國蔚山科學技術院丁峰為論文通訊作者。該研究成果得到了自然科學基金委、科技部、廣東省等的大力支持。