Science：新方法！生产出前所未有的无缺陷金属单晶

bianleng

基础科学研究所（IBS）多维碳材料中心的一个研究小组在《科学》杂志上发表了一篇文章，内容是一种将廉价的多晶金属箔转变为性能优越的单晶的新方法。预计这些材料将在科学和技术方面有许多用途。

大多数金属材料的结构可以被认为是不同微小晶体组成的，在每个小晶格之间的边界上带有一些缺陷。这些缺陷称为晶界（GB），使金属的电学性能和机械性能恶化。相反，单晶金属没有GB，并且具有更高的导电性和其他增强的品质，这些品质可以在多个领域发挥重要作用，例如电子，等离子体和催化等。单晶金属箔也引起了极大的关注，因为某些单晶金属，例如铜，镍和钴，适合于在它们之上生长无缺陷的石墨烯，氮化硼和金刚石。

单晶通常是由“单晶胞”开始制作的。传统的方法，如提拉法或布里奇曼法，或其他基于在单晶无机衬底上沉积金属薄膜的方法，以较高的加工成本实现了小单晶。

为了让这种金属结构得到更为广泛的应用，由蔚山国家科学技术研究所（UNIST）的Rodney Ruoff领导的IBS团队，以及JIN Sunghwan和SHIN Hyung-Joon，发明了“无接触退火”（CFA）技术。CFA包括将多晶金属箔加热到略低于每种金属熔点的温度。这种新方法不需要单晶种子或模板，这样子就打破了最大晶体尺寸的限制，并且使用五种不同类型的金属箔进行测试：铜，镍，钴，铂和钯。它导致了“巨大的晶粒生长”，铜达到了32平方厘米。

针对不同的金属具体的实验细节是不同的。在铜的情况下，使用石英支架和杆来悬挂金属箔，就像悬挂在晾衣绳上的衣服一样。然后，在管状炉中将箔加热至约1050摄氏度（1323开氏度），在接近铜的熔点（1358K）的温度下在氢气和氩气氛下加热数小时，然后冷却。

科学家们还从镍和钴箔上获得了单晶，每片约11平方厘米。所实现的尺寸受到炉子尺寸的限制，因此可以期望通过“工业”加工方法生产更大的箔。

因为铂的熔化温度较高（2041K），要使它融化必须要用电阻加热的方法。电流通过连接在两个相反电极上的铂箔，然后移动和调整一个电极以保持箔在膨胀和收缩期间内保持平坦。研究小组希望这种方法适用于其它金属箔，因为它也适用于钯。

这些大的单晶金属箔在许多应用中是有用的。例如，可以在它们上面生长石墨烯：在单晶铜箔上得到质量非常高的单晶单层石墨烯，在单晶铜镍合金箔上形成多层石墨烯。

新型单晶铜箔显示出良好的电性能。Sungkyunkwan大学的YOO Won Jong和MOON Inyong合作者测量了单晶铜箔的室温电导率与市售多晶箔相比增加了7%。

该研究的第一作者金成焕和他的主管鲁夫（Ruoff）表示：“现在我们已经探索了这五种金属，并且发明了一种简单的可伸缩的方法来制造如此大的单晶，这就产生了一个令人兴奋的问题，即其他类型的多晶金属薄膜，如铁，是否也能被转化为单晶。”Ruoff热情地总结道：“现在这些廉价的单晶金属箔已经面世了，看到它们被科学和工程界等等所使用将是非常令人兴奋的！”

Producing defectless metal crystals of unprecedented size