مصدر المعلومات: مدرسة الفيزياء

On May 27, 2020, Researcher Liu Kaihui, Academician Wang Enge of the School of Physics of Peking University, Academician Yu Dapeng of Southern University of Science and Technology, and Professor Ding Feng of the Ulsan Institute of Science and Technology in South Korea made important progress in the manufacturing of high-index single crystal copper foil. The research team creatively proposed the "variation and inheritance" growth mechanism regulated by the interface of the crystal surface, for the first time in the world to realize the manufacture of the most complete and largest size high-index single crystal copper foil library. Related research results were published online in the journal Nature with the title "Seeded growth of large single-crystal copper foils with high-index facets".

يلعب النحاس دورًا مهمًا للغاية في مجتمع المعلومات الحديث ويستخدم على نطاق واسع في المجالات الرئيسية مثل الكهربائية والإلكترونية والاتصالات والدفاع الوطني. ومع ذلك ، فإن النحاس التجاري الموجود حاليًا في السوق هو في الأساس نحاس متعدد البلورات ، وتتسبب العيوب المختلفة فيه في تقليل كفاءة نقل الإلكترون والفونون بشكل كبير. من الناحية النظرية ، يمكن للنحاس أحادي البلورة ذو الهيكل البلوري المثالي أن يزيد من الأداء الكهربائي والحراري الجوهري للنحاس ، ومن المتوقع أن يكون له تأثير مهم في اتجاه الخسارة المنخفضة والطاقة العالية لتبديد الحرارة وتطبيقات الأجهزة الإلكترونية. بالإضافة إلى ذلك ، مع ظهور أبحاث المواد ثنائية الأبعاد في السنوات الأخيرة ، استخدم النحاس على نطاق واسع في التحضير الفوقي للمواد البلورية أحادية الأبعاد ثنائية الأبعاد. الركيزة أحادية البلورة النحاسية ذات المستويات الكريستالية المختلفة هي الأساس للنمو الفوقي للمواد البلورية أحادية الأبعاد ثنائية الأبعاد ذات الهياكل المختلفة. لذلك ، فإن تحضير رقائق نحاسية بلورية مفردة ذات حجم كبير ومستويات بلورية متعددة المؤشرات هي مشكلة علمية وتقنية يجب حلها بشكل عاجل في الصناعة والبحث العلمي.

In materials science, single crystal copper foil can be divided into two categories according to the crystal plane index: low index crystal plane and high index crystal plane. As shown in Figure 1, there are only three types of low-index crystal planes: Cu (001), Cu (011), and Cu (111), while there are theoretically unlimited types of high-index crystal planes. Since 2016, Liu Kaihui and collaborators have made a series of progress in the research of low-index copper single crystals: ultra-fast epitaxial preparation of single-meter graphene single crystals on single crystal Cu(111) (Nature Chemistry 2019, 11 , 730; Science Bulletin 2017, 62, 1074; Nature Nanotechnology 2016, 11, 930); decimeter-scale two-dimensional hexagonal boron nitride single crystal epitaxy on the neighboring Cu(110) single crystal (Nature 2019, 570, 91 ). Compared with the low-index crystal plane, the high-index crystal plane copper foil can provide a richer surface structure, which can greatly broaden the types of epitaxial preparation of two-dimensional material systems. However, the traditional annealing method can usually only obtain the Cu(111) single crystal with the lowest surface energy, and the high-index crystal plane structure is not dominant in thermodynamics and kinetics, and its control preparation is extremely challenging.

In response to this problem, the research team developed a new annealing technology to achieve thermodynamic and kinetic control of the copper foil recrystallization process (Figure 2a). Different from the traditional annealing process, a layer of oxide can be formed on the surface of the copper foil through the designed pre-oxidation process. The formation of the interface between copper and copper oxide makes the traditional "minimum surface energy principle" no longer the main driving force for the formation of crystal planes. , So as to greatly increase the formation probability of high-index crystal plane "nucleus"; through the designed reducing atmosphere annealing process to eliminate the dynamic grain boundary, the abnormal growth of the high-index crystal plane "nucleus" can be achieved, thereby preparing A4 paper The size of the high-index crystal plane single crystal has more than 30 types of crystal planes (Figure 2b-c). At the same time, using the prepared single crystal copper foil as a "seed crystal" can induce the conversion of polycrystalline copper foil into a single crystal having the same crystal orientation as the "seed crystal", thereby realizing a large-size single crystal copper foil with a specific crystal plane Oriented "replication" manufacturing of single crystal copper ingots. In addition, this method is universal for the preparation of other single crystal metal foils.

This research achievement is the first to realize the controllable preparation of the single crystal copper foil library with the largest size and the most complete crystal face index in the world. In single crystal metal research, two-dimensional material growth, surface interface catalysis, low-loss electrical transmission, high frequency The fields of circuit boards and high heat sinks are of pioneering significance.

يعد كل من Wu Muhong و Zhang Zhibin و Xu Xiaozhi و Zhang Zhihong هم المؤلفون المشاركون في الدراسة ، و Liu Kaihui و Ding Feng و Yu Dapeng و Wang Enge هم المؤلفون المقابلون. تم دعم نتائج البحث بقوة من قبل مؤسسة العلوم الطبيعية في الصين ، ووزارة العلوم والتكنولوجيا ، ولجنة بكين للعلوم والتكنولوجيا وغيرها من المشاريع ذات الصلة ، والمختبر الرئيسي لولاية جامعة بكين للبنية المجهرية الاصطناعية والفيزياء المتوسطة ، ومركز الابتكار التعاوني للمادة الكمية. مختبر العلوم والمجهر الإلكتروني ، إلخ.