情報源：物理学部

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".

銅は現代の情報社会において非常に重要な役割を果たしており、電気、電子、通信、国防などの主要分野で広く使用されています。 しかし、現在市販されている市販の銅は基本的に多結晶銅であり、その様々な欠陥により、電子とフォノンの輸送効率が大幅に低下します。 理論的には、完全結晶構造の単結晶銅は、銅の固有の電気的および熱的性能を最大化することができ、低損失、高熱放散電力および電子デバイスアプリケーションの方向に重要な影響を与えることが期待されます。 また、近年の二次元材料研究の台頭により、銅は二次元単結晶材料のエピタキシャル製造に広く使用されています。 さまざまな屈折率の結晶面を備えた単結晶銅箔基板は、異なる構造を持つ2次元単結晶材料のエピタキシャル成長の基礎です。 したがって、大きなサイズで複数の屈折率の結晶面を備えた単結晶銅箔の調製は、産業および科学研究において緊急に解決されるべき科学的および技術的問題である。

材料科学では、単結晶銅箔は、結晶面指数に応じて、低屈折率結晶面と高屈折率結晶面の2つのカテゴリに分類できます。 図1に示すように、低屈折率結晶面にはCu（001）、Cu（011）、Cu（111）の3種類しかありませんが、理論的には無制限の高屈折率結晶面があります。 2016年以来、Liu Kaihuiと共同研究者は、低屈折率銅単結晶の研究において一連の進歩を遂げてきました。単結晶Cu（111）上での単一メートルグラフェン単結晶の超高速エピタキシャル調製（Nature Chemistry 2019、11、 730; Science Bulletin 2017、62、1074; Nature Nanotechnology 2016、11、930）; 隣接するCu（110）単結晶上のデシメートルスケールの2次元六方晶窒化ホウ素単結晶エピタキシー（Nature 2019、570、91）。 低屈折率結晶面と比較して、高屈折率結晶面銅箔は、より豊かな表面構造を提供することができ、これにより、二次元材料システムのエピタキシャル準備のタイプを大幅に広げることができます。 しかし、従来のアニーリング法では通常、表面エネルギーが最も低いCu（111）単結晶しか得られず、熱力学や反応速度論では高屈折率の結晶面構造が支配的ではなく、その制御の準備は非常に困難です。

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.

Wu Muhong、Zhang Zhibin、Xu Xiaozhi、Zhang Zhihongがこの論文の共同筆頭著者であり、Liu Kaihui、Ding Feng、Yu Dapeng、WangEngeが対応する著者です。 研究結果は、中国自然科学財団、科学技術省、北京科学技術委員会およびその他の関連プロジェクト、北京大学人工微細構造およびメソスコピック物理学の主要研究所、量子物質共同イノベーションセンターによって強力にサポートされています。科学電子顕微鏡研究室等。