5月27日，南方科技大学量子科学与工程研究院院长、中国科学院院士俞大鹏，北京大学物理学院研究员刘开辉，北京大学教授、中国科学院院士王恩哥以及韩国蔚山科学技术院教授丁峰等联合攻关，在超大尺寸单晶金属箔库的制备领域再次取得重要进展，研究团队创造性提出晶体表界面调控的“变异和遗传”生长机制，在国际上首次实现种类最全、尺寸最大的高指数晶面单晶铜箔库的制造。相关工作以“Seeded growth of large single-crystal copper foils with high-index facets”为题发表在国际顶级学术期刊《自然》（Nature）上。

二维量子材料兼具极限尺寸的厚度和完美的表界面，并呈现出诸多奇异的物理性质。二维材料体系丰富，包含导体（石墨烯）、半导体（过渡金属硫族化合物、黑磷等）和绝缘体（六方氮化硼）等，是变革性技术应用的核心基础材料，具有重大的应用价值。高端器件的规模化应用必须基于大面积、高品质的二维单晶材料，而单晶金属材料衬底的制备是二维单晶材料大面积、高品质外延生长的关键。然而，目前商用单晶金属衬底多是通过切割单晶金属锭获得，不仅价格昂贵，而且尺寸小、晶面种类有限，无法满足大面积二维单晶材料外延生长的需求。

2016年，研究团队偶然发现氧化物沉底释放的游离氧可以把石墨烯单晶畴的生长速率提高150倍（Nature Nanotechnology 2016, 11, 930），他们通过高温梯度退火技术首次得到米级Cu(111) 单晶。结合超快生长技术，研究团队实现了米级石墨烯单晶材料的超快外延制备（Science Bulletin 2017, 62, 1074）。在此基础上，研究团队通过把氟元素引入石墨烯单晶畴的生长过程，使其生长速率提高2000倍以上（Nature Chemistry 2019, 11, 730）。2019年，研究团队还提出利用对称性破缺的衬底外延非中心反演对称二维单晶薄膜的策略，以具有小角度倾斜的Cu(110)单晶为衬底，利用该晶面上独特的Cu<211>台阶打破六方氮化硼生长过程中晶畴取向的简并度，实现了六方氮化硼单晶薄膜的制备（Nature 2019, 570, 91）。

上述研究成果用到的都是铜的低指数晶面，即晶面指数的每一个参量都不大于1。然而相较于低指数晶面，高指数晶面的单晶铜箔具有更加丰富的表面结构，可极大地拓宽不同结构二维材料体系的外延制备。但是，高指数晶面的制备在热力学及动力学上均不占优势，大尺寸高指数面单晶金属箔的制备在世界范围内还是一项技术空白。

典型A4尺寸单晶铜箔的光学照片及石墨烯和氮化硼晶畴在单晶铜箔上的取向生长

针对上述难题，研究团队将攻关目标锁定在铜晶粒再结晶长大过程的热力学及动力学调控上。利用特殊的表面预处理技术，研究团队成功将(111)晶面热力学能量上的绝对优势打破，使晶粒取向发生“变异”，实现任意晶面取向晶粒的异常长大，成功制备出30多种晶面指数的单晶铜箔。同时，受生物学中的“遗传”思想启发，研究团队将制备出的具有特定晶向的单晶小片作为“籽晶”放到大尺寸商业多晶铜箔上，并进行退火处理，实现了特定晶面A4尺寸单晶铜箔的精准制造。同时，实验结果证明，多种高指数面单晶铜箔都可以通过衬底外延生长得到取向一致的石墨烯及六方氮化硼晶畴。

该成果首次实现了世界上最大尺寸、晶面指数最全的单晶铜箔库的可控制备，提出的“变异”和“遗传”晶面指数调控机理和技术可以推广到其它金属材料的单晶制造，为其它二维量子单晶材料的大尺寸制备提供了更多的衬底选择。该工作将有力地推动二维量子单晶材料的规模化制备，有望促进新型高端量子器件的产业化应用。

北京大学助理教授吴慕鸿、北京大学博士生张志斌、华南师范大学研究员徐小志、北京大学博士后张智宏为论文共同第一作者，刘开辉、丁峰、俞大鹏、王恩哥为论文共同通讯作者。该研究成果得到了自然科学基金委、科技部、广东省、深圳市等相关项目的支持。

石墨烯大单晶的检测、工程化、产业化研发在省市相关项目的支持下，深圳市经信委深圳市制造业创新中心项目“米级单晶石墨烯薄膜制造平台”及广东省科技厅重点领域研发计划项目“超高纯度米级单晶石墨烯的工业化制备和检测”已分别落地光明新区和福田区。

 

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2298-5

供稿：量子科学与工程研究院

通讯员：刘芳璐

编辑：苗雪宁