Rodney S. Ruoff大牛Science：多晶一步变单晶，大面积、大规模、普适性！

晴天

2018-10-19

第一作者：Sunghwan Jin

通讯作者：Rodney S. Ruoff、Hyung-Joon Shin

通讯单位：韩国基础科学研究所

研究亮点：

发展了一种无接触退火（CFA）策略，实现了通过商业多晶金属箔片普适性制备大面积单晶金属箔片。

单晶金属由于具有无晶界的光滑表面和强各向异性，表现出许多不同寻常的电学、力学、吸附、催化性能。譬如，单晶Cu比多晶Cu电阻低，很重要的原因在于多晶Cu晶界处会发生电子散射；单晶超级合金因为避免了晶界滑移而具有更优异的抗蠕变性能；除此之外，单晶表面，尤其是大面积单晶表面也是CVD制备大面积高品质石墨烯、氮化硼等二维材料的重要基底材料。

商业化的单晶金属一般通过块体晶体生长或者在基底上沉积薄膜制备，成本昂贵，且面积较小。在退火过程中进行晶粒生长，是消除多晶中晶界的一种常用策略。

有鉴于此，韩国基础科学研究所Rodney S. Ruoff和Hyung-Joon Shin团队报道了一种无接触退火（CFA）策略，实现了通过商业多晶箔片普适性制备大面积单晶金属箔片。

图1. CFA策略制备的单晶Cu

图2. CFA策略制备的单晶Pt

CFA策略，即在氢气氛围下，以接近金属熔点的温度进行加热处理。研究人员对商业化Cu箔进行无接触退火处理之后，没有发现多晶表面标志性的热沟纹，证明了多晶到单晶的转变。通过最小化接触压力，研究人员实现了32 cm²的巨晶生长，并实现了Cu(111), Ni(111),Co(0001), Pt(111)和Pd(111)等一系列金属的普适性单晶转变。

这种无接触的退火策略具有两大核心优势：

1）不需要单晶晶种或模板，从而不会限制单晶最大尺寸。

2）直接以商业化多晶为原材料，廉价易得。

图3. CFA过程中，Cu表面图案演变

进一步研究表明，CFA策略制备的单晶晶体具有面内和面外优先晶体取向，这一过程受驱于晶格旋转过程中表面能最小化以及相邻晶粒互相消耗。研究人员通过第一性原理计算和分子动力学模拟，对取向进行了具体研究。另外，研究人员还利用所制备的单晶实现了高品质石墨烯的制备验证。

图4. {112}<111>取向到{111}<112>取向的转变

总之，这项研究为大面积单晶金属的普适性制备提供了新的借鉴，将为表面科学、催化、二维材料制备等诸多领域提供新的动力。

参考文献：

SunghwanJin, Hyung-Joon Shin, Rodney S. Ruoff et al. Colossal grain growth yieldssingle-crystal metal foils by contact-free annealing. Science 2018.

http://science.sciencemag.org/content/early/2018/10/17/science.aao3373?rss=1