基础科学研究所 过氧化物铜箔退火形成不同表面结构大面积单晶铜箔的机理
信用:IBS 正如生物学中的克隆技术允许创造一个或多个完全相同基因的复制品一样，化学中的种子生长可以产生一个非常大的金属箔，其表面结构与种子的完全相同
晶种生长在合成三维单晶中非常流行:三维晶体总是生长成相同的形状，就像盐总是立方单晶一样
同时，非常薄的箔/膜可以根据表面结构生长成不同的类型
因此，应用可能会有所不同
由于单晶金属箔具有许多重要的应用，人们在单晶金属箔的合成方面付出了巨大的努力，例如(1)支持各种二维(二维)材料合成的基底，(2)设计沉积在其上的材料的性质，(3)允许选择性催化，以及(4)制造具有优化的导电性和导热性的金属线
尽管有这些可能性，但由于缺乏如何控制生长过程的知识，种子生长很少用于生长薄膜
教授
丁峰的小组来自基础科学研究所多维碳材料中心
刘开慧教授团队
来自北京大学的王恩哥教授团队，以及
来自南方科技大学的于大鹏的团队报道了如何给单晶金属箔赋予变化
通过氧化引导退火加籽晶生长策略，研究小组获得了30多种尺寸为A4纸(~30×21 cm2)的铜箔，与美国法定尺寸大致相同
具有高折射率表面的大面积单晶铜箔
信用:IBS 研究小组一直在探索铜箔，铜箔是支持石墨烯和其他二维材料生长的最受欢迎的衬底之一
虽然他们在之前的研究中获得了单晶铜(铜)箔(科学通报，2017，62，1074-1080)，但它们主要是铜(111)，其表面是超平坦的，因此不如那些具有阶梯边缘和扭结的活性
通过理论计算，研究小组得出结论，铜(111)比其他类型更容易形成，因为铜(111)表面具有最低的表面能，因此是自然界中最有利的结构
这一推理导致他们调整铜箔的表面能，以获得具有所需表面类型的单晶金属箔
研究小组切下一个小单晶箔的“基因”，然后“粘贴”种子(基因)，制造出非常大的铜箔，其表面结构与遗传的完全相同
为了获得具有各种表面结构的单晶金属种子，多晶铜箔首先被氧化，然后在接近铜熔点的高温(1020℃)下退火数小时
当铜被氧化时，它的上下表面都被一层氧化铜覆盖
随着纯铜表面因氧化而消失，铜箔的两个表面在预氧化后转变成两个铜-铜氧界面
这种改变将退火的驱动力从表面能转换为界面能
“我们已经证明，与表面能不同，不同铜箔的界面能差异可以忽略不计，因此多晶铜箔可以随机退火成许多不同类型的单晶
该研究的相应作者丁峰教授解释道
然后从具有所需表面结构的大单晶箔上切下一小块箔作为大规模生产的种子
研究小组发现，用这种籽晶对大型多晶铜箔进行退火，将会得到具有完全相同表面结构的大型单晶铜箔(图2，阶段2)
获得具有不同表面结构的单晶铜箔的过程的图解
信用:IBS 大量的理论和实验工作致力于理解这些单晶铜箔是如何在退火过程中形成的
这样的过程可以分两个阶段来理解
首先，籽晶的表面结构被复制到大的多晶铜箔的下部，并形成具有特定表面结构的异常晶粒(比其它晶粒大很多并且具有进一步长大的优势的晶粒)
第二，异常晶粒的生长最终导致具有指定表面结构的非常大的单晶铜箔
从数百次退火实验中，研究小组获得了一个具有30多种不同表面结构的单晶铜箔库，如图3所示
所获得的单晶铜箔的尺寸达到39×21 cm2，这受到退火炉尺寸的限制
除了铜箔之外，研究人员还证明了这种籽晶生长策略可以用于制造其他金属的大面积单晶箔，这表明在不久的将来可以获得大多数金属的各种类型的单晶箔
“这一成果展示了一种实用的方法，可按比例合成具有不同表面类型的超大型过渡金属单晶箔，这是基础科学和工程应用长期以来所期望的
我们的成就开启了许多可能性，例如在微型器件中使用单晶金属作为导电通道；用这些单晶金属箔作为模板，可控合成各种二维材料；用选定的金属箔生长大面积分子图案；并且选择性地催化具有特定结构的箔表面上的化学反应
研究小组下一步的目标是理解这种氧化导致的原子水平的种子生长的机制
合成不同金属或金属合金的各种类型的单晶金属箔的实验工作将继续进行，并探索这些箔的广泛应用
这项研究发表在《自然》杂志上
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