贊！生產出前所未有的無缺陷金屬晶體

基礎科學研究所(IBS)多維碳材料中心的一個研究小組在《科學》上發表了一篇論文，描述了一種將廉價的多晶金屬箔片轉化為性能優越的單晶新方法。這些材料在科學技術上有許多應用。大多數金屬材料的結構可以被認為是由微小晶體拼接而成，在每個小塊之間的邊界上都有一些缺陷。這些缺陷被稱為晶界(GBs)，使金屬的電學和機械性能惡化。相比之下，單晶金屬沒有GBs，具有更高的導電性和其他增強性能，在電子、等離子體和催化等領域發揮著重要作用。單晶金屬箔由於銅、鎳、鈷等單晶金屬適合於無缺陷石墨烯、氮化硼和金剛石的生長，也引起了廣泛關注。

博科園-科學科普：單晶通常是由所謂的「晶體種子」開始製造的。傳統方法，如Czochralski或Bridgman方法，或其他基於在單晶無機基底上沉積薄金屬薄膜的方法，以較高的加工成本實現小單晶。為了充分發揮這種金屬結構的潛力，由Ulsan國立科學技術研究所(UNIST)的羅德尼?魯夫領導的IBS團隊與金成煥和申亨俊一起發明了無接觸退火(CFA)技術。CFA涉及將多晶金屬箔加熱到略低於每個金屬熔點的溫度。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試了該方法。這導致了巨大的晶粒生長，銅的晶粒達到32平方厘米。

(A)示意圖的石英持有人銅(銅)箔是暫停,(B)的照片配置示意圖見(A)，(C)的照片退火單晶銅鋁箔(約2厘米×8厘米),一個統治者，(D) P1-P3在(C)中所示退火單晶銅箔中三個區域的x射線衍射(XRD)光譜。圖片：IBS

實驗的細節因所用金屬而異。至於銅，研究人員使用石英支架和一根杆子將金屬箔像衣服一樣掛在晾衣繩上。然後將鋁箔在氫氣和氬氣的氣氛中，在管狀爐中加熱幾個小時，溫度約為1050攝氏度(1323開爾文)，接近銅的熔點(1358 K)，然後冷卻下來。科學家們還從鎳和鈷箔中獲得了單晶，每片大約11厘米。達到的尺寸受爐子大小的限制。鉑因其熔點較高(2041k)，故採用電阻加熱，電流通過連接在兩個相對電極上的鉑箔，然後移動並調整一個電極，使箔在膨脹和收縮時保持平整。研究小組希望這個技巧能適用於其他箔片，因為它也適用於鈀。這些大型單晶金屬箔在許多應用中都很有用。例如它們可以在上面生長石墨烯。

單晶銅箔上生長的石墨烯薄片。(左)在單晶銅箔上得到了高質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關於「巨粒生長」的模型和理論計算，並通過實驗進行了觀察和研究。SHIN Hyung-Joon提醒人們注意多晶金屬箔片最初的「紋理」的重要性，以及它在晶粒長大過程中的作用。在晶體結構中存在大量空穴(在分子動力學模擬中為5%)時，晶體的方向會發生變化，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性能。成均館大學(Sungkyunkwan University)的合作者Yoo Won Jong和Moon Inyong對單晶銅箔的室溫電導率進行了測量，發現與市面上現有的多晶銅箔相比，單晶銅箔的室溫電導率提高了7%。研究報告的第一作者金成煥(音)說：既然我們已經探索了這五種金屬，並發明了一種直接可擴展的方法來製造如此巨大的單晶，那麼令人興奮的問題是，其他類型的多晶金屬薄膜，比如鐵，是否也能轉化成單晶。現在這些便宜的單晶金屬箔片已經上市了，看看它們是如何被科學和工程團體使用的將會是非常令人興奮的。

博科園-科學科普｜參考期刊文獻：《Science》

研究/來自：基礎科學研究所

DOI: 10.1126/science.aao3373

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