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调整表面可使金属箔变形:通过种子退火获得具有各种表面结构的纸尺寸单晶金属箔
2020年11月05日    阅读量:     新闻来源:中国化工网 okmart.com  |  投稿

就像生物学中的克隆允许创建一个或多个完全相同的基因副本一样,化学中的种子生长可以产生非常大的金属箔,其金属表面纹理与种子的金属箔完全相同。种子生长在合成三维(3D)单晶中非常流行:3D晶体总是生长为相同的形状,就像盐总是立方单晶一样。


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同时,根据表面结构,非常薄的箔/薄膜可能会成长为不同的类型中国化工网okmart.com。因此,应用程序可能会有所不同。


由于单晶金属箔具有许多重要的应用,因此已经付出了巨大的努力,例如(i)支持各种二维(2D)材料合成的基材,(ii)工程材料的性能(iii)进行选择性催化,以及(iv)制造具有最佳电导率和导热率的金属线。尽管有这种可能性,但是由于缺乏如何控制生长过程的知识,种子生长很少用于生长薄膜。


基础科学研究院(韩国,IBS)多维碳材料中心的丁峰教授小组,北京大学的刘开辉教授小组和王恩格教授小组以及大鹏教授合作南方科技大学的Yu研究小组报告了如何对单晶金属箔进行变形。通过氧化引导的退火加种子生长策略,研究团队获得了30多种类型的A4纸(?30×21 cm2)大小的铜箔,其尺寸与美国法定尺寸的铜箔大致相同。


研究团队一直在探索铜箔,铜箔是支持石墨烯和其他2D材料生长的最受欢迎的基材之一。


尽管他们在先前的研究中获得了单晶铜箔(Science Bulletin,2017,62,1074-1080),但它们大多是Cu(111),其表面超平坦,因此比带台阶边缘的铜的活性低和扭结。


通过理论计算,研究小组得出结论,由于Cu(111)表面具有最低的表面能,因此自然是最有利的结构,因此与其他类型的Cu(111)相比,它更易于形成。这种推理促使他们调整Cu箔的表面能,以获得具有所需表面类型的单晶金属箔。


研究团队切出了一个小的单晶箔的“基因”,并“粘贴”了种子(基因),以创建非常大的铜箔,其铜箔的表面纹理与继承的铜箔完全相同。


为了获得具有各种表面结构的单晶金属晶种,首先将多晶铜箔氧化,然后在接近铜熔点的高温(1020°C)下退火数小时。


当Cu被氧化时,其上表面和下表面都被一层氧化铜(CuxO)覆盖。


由于纯铜表面由于氧化而消失,因此,在预氧化后,铜箔的两个表面转变为两个Cu-CuxO界面。这种变化将退火的驱动力从表面能转换为界面能。“我们已经证明,


然后从具有所需表面结构的大单晶箔上切出一小片箔,作为批量生产的种子。研究小组发现,使用这种晶种对大型多晶Cu箔进行退火将导致其表面结构完全相同的大型单晶Cu箔。


大量的理论和实验工作致力于了解退火过程中如何形成这些单晶Cu箔。这样的过程可以分为两个阶段。


首先,将种子的表面结构复制到大型多晶铜箔的下部,并形成具有特定表面结构的异常晶粒(比其他晶粒大得多且具有进一步长大的优势的晶粒)。


其次,异常晶粒的生长最终导致具有指定表面结构的非常大的单晶Cu箔。


通过数百次退火实验,研究团队获得了具有30多种不同表面结构的单晶Cu箔库。所获得的单晶Cu箔的尺寸达到39×21cm 2,这受退火炉的尺寸限制。


除了铜箔之外,研究人员还证明了这种种子生长策略可用于制造其他金属的大面积单晶箔,这表明大多数金属的各种类型的单晶箔将在不久的将来面世。“


这项成就展示了一种可扩展的合成具有不同表面类型的超大型过渡金属单晶箔的实用方法,这是基础科学和工程应用长期以来所希望的。我们的成就开辟了许多可能性,例如使用单晶金属作为导电材料。


微型设备中的通道;使用这些单晶金属箔作为模板来可控地合成各种二维材料;使用选定的金属箔生长大面积的分子图案;


研究小组接下来的目标是了解这种氧化导致的种子生长和原子级种子生长的机理。将继续进行合成不同金属或金属合金的各种类型的单晶金属箔的实验工作,并探索这些箔的广泛应用。


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