2020年5月27日，北京大學物理學院劉開輝研究員、王恩哥院士與南方科技大學俞大鵬院士、韓國蔚山科學技術院丁峰教授等合作在高指數單晶銅箔製造方向上取得重要進展。研究團隊創造性提出晶體表界面調控的「變異和遺傳」生長機制，在國際上首次實現種類最全、尺寸最大的高指數晶面單晶銅箔庫的製造。相關研究成果以「Seeded growth of large single-crystal copper foils with high-index facets」為題在線發表在《自然》雜誌上。
銅在現代信息社會中發揮著極為重要的作用，被廣泛應用於電氣、電子、通信、國防等關鍵領域。然而，目前市場上的商業用銅基本上都為多晶銅，其中存在的各種缺陷致使電子、聲子輸運效率大幅降低。理論上，具備完美晶體結構的單晶銅可將銅的本徵電學和熱學性能發揮到極致，預期會在低損耗、高散熱的電力、電子器件應用等方向產生重要影響。另外，近年來隨著二維材料研究的興起，銅被廣泛應用於二維單晶材料的外延製備。具備各種指數晶面的單晶銅箔襯底是實現不同結構二維單晶材料外延生長的基礎。因此，製備大尺寸、多種指數晶面的單晶銅箔是產業界、科研界亟待解決的科學和技術問題。
圖1 不同晶面指數的單晶銅箔原子結構示意圖
在材料科學中，單晶銅箔按晶面指數可以劃分為兩類：低指數晶面和高指數晶面。如圖1所示，其中低指數晶面僅有Cu(001)、Cu(011)、Cu(111)三種，而高指數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晶面銅單晶研究上取得了系列進展：在單晶Cu(111)上實現米級石墨烯單晶的超快外延製備（Nature Chemistry2019, 11, 730；Science Bulletin 2017, 62, 1074；Nature Nanotechnology 2016, 11, 930）；在近鄰Cu(110)單晶上實現分米級二維六方氮化硼單晶外延製備（Nature 2019, 570, 91）。與低指數晶面相比，高指數晶面銅箔能提供更豐富的表面結構，可極大地拓寬外延製備二維材料體系的種類。然而，傳統退火方法通常只能得到表面能最低的Cu(111)單晶，高指數晶面結構在熱力學及動力學上均不佔優勢，其控制製備極具挑戰性。
圖2 不同指數晶面、A4紙尺寸單晶銅箔的控制製備
針對這一難題，研究團隊發展一種全新退火技術，實現了對銅箔再結晶過程中熱力學和動力學的控制（圖2a）。與傳統退火工藝不同，通過設計的預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的「表面能最低原理」不再是晶面形成的主要驅動力，從而大幅提高高指數晶面「核」的形成概率；通過設計的還原性氣氛退火過程將動力學晶界消除，可實現該高指數晶面「核」的異常長大，從而製備出A4紙尺寸的高指數晶面單晶，晶面種類多達30餘種（圖2b-c）。同時，利用製備得到的單晶銅箔作為「籽晶」，可誘導多晶銅箔轉化為與「籽晶」具有相同晶向的單晶，從而實現了特定晶面的大尺寸單晶銅箔和單晶銅錠的定向「複製」製造。此外，該方法對其他單晶金屬箔製備具有普適性。
該項研究成果首次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，在單晶金屬研究、二維材料生長、表界面催化、低損耗電學傳輸、高頻電路板、高散熱器件等領域具有開拓性意義。
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基金委、科技部、北京市科委等相關項目及北京大學人工微結構與介觀物理國家重點實驗室、量子物質科學協同創新中心和電子顯微鏡實驗室等的大力支持。