image: （a）单晶金属箔制备流程示意图。（b）单晶铜箔制备的通用调控框架，冷轧过程中的位错密度（𝜌）及再结晶退火后立方织构的面积分数（𝑓c）随真应变（ε）的变化曲线。 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
铜箔具有优异的导电与导热性能，是集成电路、高频通信和新能源等领域的重要基础材料。然而，目前商业化铜箔多为多晶结构，大量晶界引发的电子散射、热失效及界面性能退化等问题，限制了器件的稳定性与可靠性。相比之下，单晶铜箔凭借无晶界的有序结构，有望从根本上克服多晶铜箔的性能局限，成为推动新一代高端器件发展的理想材料。现有研究虽已利用商业压延铜箔实现单晶铜箔的制备，但商业铜箔原料普遍存在织构类型不稳定、织构强度波动较大等问题，这种结构异质性严重制约了单晶铜箔制备的可控性与规模化发展。
近日，松山湖材料实验室理事长王恩哥院士，轻元素材料与器件团队吴慕鸿研究员、付莹研究员，以及北京大学张志斌特聘副研究员等合作者，通过揭示金属箔材单晶生长的内在机制，提出了织构引导的大尺寸单晶金属箔通用制备策略。该工作系统建立了能量-织构-单晶调控方法，为单晶金属箔的规模化制备提供了理论支撑和工艺路径。相关成果以“织构调控大尺寸单晶金属箔制备（Texture-controlled growth of large-scale single-crystal metal foils）”为题发表于《国家科学评论》（National Science Review）。
该策略的核心在于三个有序阶段的精确控制（图1a）：（1）冷轧变形：通过轧制变形过程调控，在金属箔中引入高位错密度，积累足够的变形储能；（2）低温再结晶退火：利用低温退火工艺，释放变形储能并促进形成均一且完全的{100}立方再结晶织构组织；（3）高温单晶化退火：结合温度梯度控制技术，通过能量驱动机制（表面能或界面能）促使异常晶粒形核长大，最终获得大尺寸单晶。研究结果表明（图1b），仅当真应变处于最优区间（Region III, ε≈4.5～5.0）时，才能形成均一完全的{100}立方织构（𝑓c＞90%），从而实现高质量大尺寸单晶铜箔的制备；而真应变过小或过大，均不利于单晶的形成。
基于此，研究团队利用表面能驱动方法，制备了33×20 cm2尺寸的Cu(111)箔，并利用界面能驱动方法成功制备了6种不同高指数晶面的单晶铜箔。该方法适用于铸造、轧制及电解等多种铜原料体系，并可推广至金属镍，展现出良好的普适性与工业推广潜力。该研究不仅为单晶金属的制造提供了全新的研究思路，更为单晶金属箔的工业应用奠定了重要技术基础。
Journal
National Science Review