基礎科學研究所（IBS）多維碳材料中心的一個研究小組在《科學》雜志上發表了一篇文章，內容是一種將廉價的多晶金屬箔轉變為性能優越的單晶的新方法。預計這些材料將在科學和技術方面有許多用途。

    大多數金屬材料的結構可以被認為是不同微小晶體組成的，在每個小晶格之間的邊界上帶有一些缺陷。這些缺陷稱為晶界（GB），使金屬的電學性能和機械性能惡化。相反，單晶金屬沒有GB，并且具有更高的導電性和其他增強的品質，這些品質可以在多個領域發揮重要作用，例如電子，等離子體和催化等。單晶金屬箔也引起了極大的關注，因為某些單晶金屬，例如銅，鎳和鈷，適合于在它們之上生長無缺陷的石墨烯，氮化硼和金剛石。

    單晶通常是由“單晶胞”開始制作的。傳統的方法，如提拉法或布里奇曼法，或其他基于在單晶無機襯底上沉積金屬薄膜的方法，以較高的加工成本實現了小單晶。

    為了讓這種金屬結構得到更為廣泛的應用，由蔚山國家科學技術研究所（UNIST）的Rodney Ruoff領導的IBS團隊，以及JIN Sunghwan和SHIN Hyung-Joon，發明了“無接觸退火”（CFA）技術。CFA包括將多晶金屬箔加熱到略低于每種金屬熔點的溫度。這種新方法不需要單晶種子或模板，這樣子就打破了最大晶體尺寸的限制，并且使用五種不同類型的金屬箔進行測試：銅，鎳，鈷，鉑和鈀。它導致了“巨大的晶粒生長”，銅達到了32平方厘米。

    針對不同的金屬具體的實驗細節是不同的。在銅的情況下，使用石英支架和桿來懸掛金屬箔，就像懸掛在晾衣繩上的衣服一樣。然后，在管狀爐中將箔加熱至約1050攝氏度（1323開氏度），在接近銅的熔點（1358K）的溫度下在氫氣和氬氣氛下加熱數小時，然后冷卻。

    科學家們還從鎳和鈷箔上獲得了單晶，每片約11平方厘米。所實現的尺寸受到爐子尺寸的限制，因此可以期望通過“工業”加工方法生產更大的箔。

    因為鉑的熔化溫度較高（2041K），要使它融化必須要用電阻加熱的方法。電流通過連接在兩個相反電極上的鉑箔，然后移動和調整一個電極以保持箔在膨脹和收縮期間內保持平坦。研究小組希望這種方法適用于其它金屬箔，因為它也適用于鈀。

    這些大的單晶金屬箔在許多應用中是有用的。例如，可以在它們上面生長石墨烯：在單晶銅箔上得到質量非常高的單晶單層石墨烯，在單晶銅鎳合金箔上形成多層石墨烯。

    新型單晶銅箔顯示出良好的電性能。Sungkyunkwan大學的YOO Won Jong和MOON Inyong合作者測量了單晶銅箔的室溫電導率與市售多晶箔相比增加了7%。

    該研究的第一作者金成煥和他的主管魯夫（Ruoff）表示：“現在我們已經探索了這五種金屬，并且發明了一種簡單的可伸縮的方法來制造如此大的單晶，這就產生了一個令人興奮的問題，即其他類型的多晶金屬薄膜，如鐵，是否也能被轉化為單晶。”Ruoff熱情地總結道：“現在這些廉價的單晶金屬箔已經面世了，看到它們被科學和工程界等等所使用將是非常令人興奮的！”

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責任編輯：王元

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