研究人员通过对退火处理，制备了有不同表面结构的单晶铜箔。
正如利用克隆技术能够创造出完全相同的基因复制品，在化学中利用晶种生长技术也能生产出具有相同表面纹理的金属箔。
根据表面结构的不同，单晶体金属箔可能对应不同的应用方向，如（1）作为制备二维材料的基材；（2）调整沉积材料属性；（3）完成选择性催化反应；（4）制造特殊的金属导线。尽管单晶体金属箔的应用范围非常广泛，但由于研究人员缺乏对控制生长过程的深入认识，晶种生长技术很少用于金属箔的制造。
《自然》杂志报道，多维碳材料中心Feng Ding教授与北京大学Kaihui Liu教授等，采用氧化退火与晶种生长策略，获得了超过30种A4纸大小的铜箔。
Ding教授等长期从事铜箔材料研究，这种材料是支持石墨烯等二维材料生长的主要基底之一。此前，他们曾在《科学通报》杂志中报道过单晶铜箔的制备方法，但该方法获得的铜箔主要是Cu（111），不具有台阶边缘和弯折构造。
借助理论计算，研究人员发现Cu（111）的表面能最低，更容易形成。因此，他们认为通过调整铜箔的表面能量，可以获得理想表面类型的单晶金属箔。
为了获取具有各种表面结构的单晶金属晶种，研究人员首先对多晶铜箔进行了氧化，然后在接近铜熔点的高温（1020摄氏度）下退火数小时。铜被氧化后，其上、下表面均被一层氧化铜（CuxO）所覆盖，纯铜表面消失，转化为两个Cu- CuxO界面。这一变化使退火的驱动力由表面能转化为界面能。
论文作者Ding教授解释说：“与表面能不同，不同铜箔的界面能差异可以忽略不计。因此，多晶铜箔能够随机退火形成多种类型的单晶。”
退火处理制造单晶铜箔的过程可以分为两个阶段。首先，晶种表面结构复制到大型多晶铜箔下方，形成具有特定表面结构的异常晶粒。这种晶粒的尺寸比其他晶粒大得多，具有进一步长大的优势。接着，异常晶粒的生长最终促进了有特定表面结构的大型单晶铜箔的形成。
除铜箔之外，研究人员证实这种晶种生长策略还可以用于制造其他金属的大型单晶箔。
Liu教授表示：“我们的成果展示了一种可用于大规模合成有不同表面类型的超大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期待的成就。利用此法，我们可以用单晶金属作为微器件中的传导通道，用单晶金属箔作为定向合成二维材料的模板，还可以在特定结构的单晶箔表面进行选择性催化反应。”
研究人员的下一步目标是在原子水平上理解这种氧化诱导的晶种生长机制，并进一步合成其他金属或合金的单晶金属箔，以探索它们的潜在应用。
科界原创 编译：雷鑫宇 审稿：西莫 责编：唐林芳
期刊来源：《自然》
期刊编号：0028-0836
原文链接：https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-05/ifbs-tts052620.php
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