基礎(chǔ)科學(xué)研究所(IBS)多維碳材料中心的一個(gè)研究小組在《科學(xué)》上發(fā)表了一篇論文，描述了一種將廉價(jià)的多晶金屬箔片轉(zhuǎn)化為性能優(yōu)越的單晶新方法。這些材料在科學(xué)技術(shù)上有許多應(yīng)用。大多數(shù)金屬材料的結(jié)構(gòu)可以被認(rèn)為是由微小晶體拼接而成，在每個(gè)小塊之間的邊界上都有一些缺陷。這些缺陷被稱為晶界(GBs)，使金屬的電學(xué)和機(jī)械性能惡化。相比之下，單晶金屬?zèng)]有GBs，具有更高的導(dǎo)電性和其他增強(qiáng)性能，在電子、等離子體和催化等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。單晶金屬箔由于銅、鎳、鈷等單晶金屬適合于無缺陷石墨烯、氮化硼和金剛石的生長(zhǎng)，也引起了廣泛關(guān)注。

博科園-科學(xué)科普：?jiǎn)尉ǔＪ怯伤^的“晶體種子”開始制造的。傳統(tǒng)方法，如Czochralski或Bridgman方法，或其他基于在單晶無機(jī)基底上沉積薄金屬薄膜的方法，以較高的加工成本實(shí)現(xiàn)小單晶。為了充分發(fā)揮這種金屬結(jié)構(gòu)的潛力，由Ulsan國(guó)立科學(xué)技術(shù)研究所(UNIST)的羅德尼?魯夫領(lǐng)導(dǎo)的IBS團(tuán)隊(duì)與金成煥和申亨俊一起發(fā)明了無接觸退火(CFA)技術(shù)。CFA涉及將多晶金屬箔加熱到略低于每個(gè)金屬熔點(diǎn)的溫度。這種新方法不需要限制晶體最大尺寸的單晶種子或模板。用銅、鎳、鈷、鉑和鈀五種不同類型的金屬箔測(cè)試了該方法。這導(dǎo)致了巨大的晶粒生長(zhǎng)，銅的晶粒達(dá)到32平方厘米。

實(shí)驗(yàn)的細(xì)節(jié)因所用金屬而異。至于銅，研究人員使用石英支架和一根桿子將金屬箔像衣服一樣掛在晾衣繩上。然后將鋁箔在氫氣和氬氣的氣氛中，在管狀爐中加熱幾個(gè)小時(shí)，溫度約為1050攝氏度(1323開爾文)，接近銅的熔點(diǎn)(1358 K)，然后冷卻下來。科學(xué)家們還從鎳和鈷箔中獲得了單晶，每片大約11厘米。達(dá)到的尺寸受爐子大小的限制。鉑因其熔點(diǎn)較高(2041k)，故采用電阻加熱，電流通過連接在兩個(gè)相對(duì)電極上的鉑箔，然后移動(dòng)并調(diào)整一個(gè)電極，使箔在膨脹和收縮時(shí)保持平整。研究小組希望這個(gè)技巧能適用于其他箔片，因?yàn)樗策m用于鈀。這些大型單晶金屬箔在許多應(yīng)用中都很有用。例如它們可以在上面生長(zhǎng)石墨烯。

單晶銅箔上生長(zhǎng)的石墨烯薄片。(左)在單晶銅箔上得到了高質(zhì)量的單晶單層石墨烯，在單晶銅鎳合金箔上得到了(右)多層石墨烯(2 - 10層)。圖3:晶體改變方向以減少表面能量。研究小組成員丁峰、張樂寧和董繼晨提出了一個(gè)關(guān)于“巨粒生長(zhǎng)”的模型和理論計(jì)算，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了觀察和研究。SHIN Hyung-Joon提醒人們注意多晶金屬箔片最初的“紋理”的重要性，以及它在晶粒長(zhǎng)大過程中的作用。在晶體結(jié)構(gòu)中存在大量空穴(在分子動(dòng)力學(xué)模擬中為5%)時(shí)，晶體的方向會(huì)發(fā)生變化，從而使表面能最小化。圖片：IBS

在單晶銅箔上得到了高質(zhì)量的單晶單層石墨烯，在單晶銅鎳合金箔上得到了多層石墨烯。新型單晶銅箔具有較好的電學(xué)性能。成均館大學(xué)(Sungkyunkwan University)的合作者Yoo Won Jong和Moon Inyong對(duì)單晶銅箔的室溫電導(dǎo)率進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)與市面上現(xiàn)有的多晶銅箔相比，單晶銅箔的室溫電導(dǎo)率提高了7%。研究報(bào)告的第一作者金成煥(音)說：既然我們已經(jīng)探索了這五種金屬，并發(fā)明了一種直接可擴(kuò)展的方法來制造如此巨大的單晶，那么令人興奮的問題是，其他類型的多晶金屬薄膜，比如鐵，是否也能轉(zhuǎn)化成單晶?，F(xiàn)在這些便宜的單晶金屬箔片已經(jīng)上市了，看看它們是如何被科學(xué)和工程團(tuán)體使用的將會(huì)是非常令人興奮的。

博科園-科學(xué)科普｜參考期刊文獻(xiàn)：《Science》

研究/來自：基礎(chǔ)科學(xué)研究所

DOI: 10.1126/science.aao3373

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