《自然》雜志發表東莞先進陶瓷與復合材料研究院輕元素團隊重要成果

發布時間:2020-06-05 瀏覽次數:4210次

    2020年5月27日,東莞先進陶瓷與復合材料研究院副院長、輕元素材料團隊負責人、北京大學物理學院劉開輝研究員,松山湖材料實驗室理事長、東莞先進陶瓷與復合材料研究院名譽院長及科學顧問委員會主任委員王恩哥院士,東莞先進陶瓷與復合材料研究院科學顧問委員會委員、南方科技大學俞大鵬院士,以及韓國蔚山科學技術院丁峰教授等合作在高指數單晶銅箔制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制造。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》雜志上。 銅在現代信息社會中發揮著極為重要的作用,被廣泛應用于電氣、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征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,銅被廣泛應用于二維單晶材料的外延制備。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,制備大尺寸、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。

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。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,劉開輝研究員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制備(Nature Chemistry 2019, 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制備(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,可極大地拓寬外延制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占優勢,其控制制備極具挑戰性。

不同指數晶面、A4紙尺寸單晶銅箔的控制制備

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。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,從而制備出A4紙尺寸的高指數晶面單晶,晶面種類多達30余種。同時,利用制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“復制”制造。此外,該方法對其他單晶金屬箔制備具有普適性

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。

輕元素材料團隊作為首批入駐東莞先進陶瓷與復合材料研究院的創新團隊,聚焦國家重大戰略需求及產業化核心技術研發,致力于高品質單晶銅箔、單晶石墨烯、單晶六方氮化硼薄膜批量制備,結合大型裝備研發,發展大尺寸、大單晶、超潔凈輕元素單晶材料的規模化制備技術,形成高品質輕元素單晶材料的生產示范線,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制備的關鍵技術。

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