由于在晶体外延、催化、电子和热工程中的潜在应用，具有各种晶面指数的大型单晶金属箔的生产一直是材料科学领域的追求。对于给定金属，只有三组低指数刻面（{100}、{110} 和{111}）。相比之下，高折射率表面原则上不受限制，可以提供更丰富的表面结构和性能。然而，具有高折射率面的单晶箔的受控制备具有挑战性，因为与低折射率面相比，它们在热力学和动力学上都不有利。

2020年5月27日，刘开慧研究员与北京大学王恩哥院士、南方科技大学于大鹏院士、韩国蔚山科学技术学院丁峰教授共同发表了题为《Seeded Growth》的论文高折射率刻面大型单晶铜箔的制备》研究论文，在高折射率单晶铜箔的制造方向上取得了重要进展。该研究创造性地提出了晶面界面调控的“变异与遗传”生长机制，并在国际上首次实现了最完整、最大的高折射率晶面单晶铜箔库的制造。

总之，该研究成果首次实现了国际上尺寸最大、晶面指数最全面的单晶铜箔库的可控制备。它在单晶金属研究、二维材料生长、表面界面催化、低损耗电传输、高频电路板和高散热器件领域具有开创性意义。

铜在现代信息社会中发挥着极其重要的作用，广泛应用于电气、电子、通信、国防等关键领域。然而，目前市场上的商业铜基本上是多晶铜，其存在各种缺陷，显着降低了电子和声子的传输效率。

理论上，具有完美晶体结构的单晶铜可以最大限度地发挥铜固有的电学和热学性能，有望在低损耗、高散热功率和电子器件应用中产生重要影响。此外，近年来随着二维材料研究的兴起，铜已广泛应用于二维单晶材料的外延制备。具有不同折射率晶面的单晶铜箔衬底是外延生长不同结构的二维单晶材料的基础。因此，制备大尺寸、多折射率晶面的单晶铜箔是业界和科研界亟待解决的科技问题。

在材料科学中，单晶铜箔根据晶面指数可分为两类：低指数晶面和高指数晶面。如图1所示，低折射率晶面只有Cu(001)、Cu(011)和Cu(111)三种类型，而高折射率晶面理论上有无限种类型。 2016年以来，刘开辉及其合作者在低折射率晶面铜单晶研究方面取得了一系列进展：在单晶Cu(111)上超快外延制备米级石墨烯单晶； ）在单晶上实现分米级二维六方氮化硼单晶外延制备。与低折射率晶面相比，高折射率晶面铜箔可以提供更丰富的表面结构，可以大大拓宽外延制备的二维材料体系的类型。然而，传统的退火方法通常只能获得表面能最低的Cu(111)单晶。高折射率晶面结构在热力学和动力学上不具备优势，其可控制备极具挑战性。

图1 不同晶面指数的单晶铜箔原子结构示意图

针对这一问题，研究团队开发了一种新的退火技术，实现铜箔再结晶过程的热力学和动力学控制（图2a）。与传统的退火工艺不同，通过设计的预氧化工艺可以在铜箔表面形成一层氧化物。铜与氧化铜之间界面的形成使得传统的“最小表面能原理”不再是晶面形成的主要驱动力。从而大大提高了高折射率晶面“核”的形成概率；通过设计的还原气氛退火工艺消除动态晶界，实现高折射率晶面“核”的异常生长，从而制备出A4纸大尺寸高折射率晶面单晶，具有30多个晶面类型（图2b-c）。同时，将制备好的单晶铜箔作为“籽晶”，诱导多晶铜箔转变成与“籽晶”晶向相同的单晶，从而实现大尺寸单晶的制备。具有特定晶面的结晶铜箔。单晶铜锭的定向“复制”制造。此外，该方法也普遍适用于其他单晶金属箔的制备。

图2 不同折射率晶面、A4纸尺寸的单晶铜箔的可控制备

该研究成果首次实现了国际上尺寸最大、晶面指数最全的单晶铜箔库的可控制备。它在单晶金属研究、二维材料生长、表面和界面催化、低损耗电传输、高频电路板和高散热器件等领域具有开创性意义。

吴慕红、张志斌、徐晓智、张志宏为论文共同第一作者，刘开慧、丁峰、于大鹏、王恩哥为论文通讯作者。研究成果得到国家自然科学基金委、科技部、北京市科委等相关项目以及北京人工微结构与介观物理国家重点实验室的大力支持大学、量子物质科学协同创新中心、电子显微镜实验室。

注：分析参考北京大学官网介绍。

解析链接：

http://news.pku.edu.cn/jxky/f212336ea15448da96aff52099f0445b.htm

参考消息：

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2298-5