生产出前所未有的无缺陷金属晶体

基础科学研究所(IBS)多维碳材料中心的一个研究小组在《科学》上发表了一篇论文，描述了一种将廉价的多晶金属箔片转化为性能优越的单晶新方法。这些材料在科学技术上有许多应用。大多数金属材料的结构可以被认为是由微小晶体拼接而成，在每个小块之间的边界上都有一些缺陷。这些缺陷被称为晶界(GBs)，使金属的电学和机械性能恶化。相比之下，单晶金属没有GBs，具有更高的导电性和其他增强性能，在电子、等离子体和催化等领域发挥着重要作用。单晶金属箔由于铜、镍、钴等单晶金属适合于无缺陷石墨烯、氮化硼和金刚石的生长，也引起了广泛关注。

博科园-科学科普：单晶通常是由所谓的“晶体种子”开始制造的。传统方法，如Czochralski或Bridgman方法，或其他基于在单晶无机基底上沉积薄金属薄膜的方法，以较高的加工成本实现小单晶。为了充分发挥这种金属结构的潜力，由Ulsan国立科学技术研究所(UNIST)的罗德尼?鲁夫领导的IBS团队与金成焕和申亨俊一起发明了无接触退火(CFA)技术。CFA涉及将多晶金属箔加热到略低于每个金属熔点的温度。这种新方法不需要限制晶体最大尺寸的单晶种子或模板。用铜、镍、钴、铂和钯五种不同类型的金属箔测试了该方法。这导致了巨大的晶粒生长，铜的晶粒达到32平方厘米。

(A)示意图的石英持有人铜(铜)箔是暂停,(B)的照片配置示意图见(A)，(C)的照片退火单晶铜铝箔(约2厘米×8厘米),一个统治者，(D) P1-P3在(C)中所示退火单晶铜箔中三个区域的x射线衍射(XRD)光谱。图片：IBS

实验的细节因所用金属而异。至于铜，研究人员使用石英支架和一根杆子将金属箔像衣服一样挂在晾衣绳上。然后将铝箔在氢气和氩气的气氛中，在管状炉中加热几个小时，温度约为1050摄氏度(1323开尔文)，接近铜的熔点(1358 K)，然后冷却下来。

科学家们还从镍和钴箔中获得了单晶，每片大约11厘米。达到的尺寸受炉子大小的限制。铂因其熔点较高(2041k)，故采用电阻加热，电流通过连接在两个相对电极上的铂箔，然后移动并调整一个电极，使箔在膨胀和收缩时保持平整。研究小组希望这个技巧能适用于其他箔片，因为它也适用于钯。这些大型单晶金属箔在许多应用中都很有用。例如它们可以在上面生长石墨烯。

单晶铜箔上生长的石墨烯薄片。(左)在单晶铜箔上得到了高质量的单晶单层石墨烯，在单晶铜镍合金箔上得到了(右)多层石墨烯(2 - 10层)。图3:晶体改变方向以减少表面能量。研究小组成员丁峰、张乐宁和董继晨提出了一个关于“巨粒生长”的模型和理论计算，并通过实验进行了观察和研究。SHIN Hyung-Joon提醒人们注意多晶金属箔片最初的“纹理”的重要性，以及它在晶粒长大过程中的作用。在晶体结构中存在大量空穴(在分子动力学模拟中为5%)时，晶体的方向会发生变化，从而使表面能最小化。图片：IBS

在单晶铜箔上得到了高质量的单晶单层石墨烯，在单晶铜镍合金箔上得到了多层石墨烯。新型单晶铜箔具有较好的电学性能。成均馆大学(Sungkyunkwan University)的合作者Yoo Won Jong和Moon Inyong对单晶铜箔的室温电导率进行了测量，发现与市面上现有的多晶铜箔相比，单晶铜箔的室温电导率提高了7%。研究报告的第一作者金成焕(音)说：既然我们已经探索了这五种金属，并发明了一种直接可扩展的方法来制造如此巨大的单晶，那么令人兴奋的问题是，其他类型的多晶金属薄膜，比如铁，是否也能转化成单晶。现在这些便宜的单晶金属箔片已经上市了，看看它们是如何被科学和工程团体使用的将会是非常令人兴奋的。

博科园-科学科普｜参考期刊文献：《Science》

研究/来自：基础科学研究所

DOI: 10.1126/science.aao3373

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