Advanced Materials:应变工程异常晶粒长大法制备大面积高指数面单晶铜箔

单晶铜衬底相比于多晶衬底具有均一的表面结构和性质,是二维材料、表面科学、催化等研究领域的理想衬底。相较于基础晶面,铜的高指数晶面具有出更为复杂的表面原子排布结构(例如平台、台阶、扭结等),继而表现出丰富多彩的性质和广阔的应用前景。目前获得单晶铜的方法有1)晶棒切割,2)模板外延,3)商业多晶铜箔单晶化。前两种方法面临着单晶面积小、成本高等问题,而多晶金属铜箔转变为单晶时通常会因为表面能的驱动而得到Cu(111)。因此发展出一种大面积、低成本制备高指数面单晶铜的方法十分重要。

北京大学刘忠范-彭海琳教授课题组发展了一种应变工程异常晶粒生长技术,将商用的工业铜箔通过热退火转变为一系列具有不同晶面指数的单晶铜箔。通过理论计算并结合实验结果分析,研究人员认为在退火过程中,铜箔与载具之间的接触热应力是导致高指数晶面出现的关键因素。此时,具有高指数晶面的异常晶粒的出现主要由铜箔的热应变主导,区别于仅由表面能驱动的低指数晶面。进一步地,研究人员通过合理设计退火炉中的温度梯度,使得高指数异常晶粒能够在整个铜箔中扩展,形成分米尺寸的单晶。电子背散射衍射(EBSD),原子力显微镜(AFM)等表征手段证明制得的单晶铜箔具有非常高的品质。通过该方法制备得到的高指数面单晶铜箔可以进一步用作制备高指数面铜基合金的模板以及二维材料取向外延生长的衬底。

研究者相信,此项研究将会为二维材料、表面科学、催化、电子电路等领域的研究提供材料基础。相关论文在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.202002034)上 。