Fremstilling af fejlfrie metalkrystaller af en hidtil uset størrelse

En forskergruppe ved Center for Multidimensionale kulstofmaterialer, inden for Institute for Basic Science (IBS), har offentliggjort en artikel i Videnskab beskriver en ny metode til at konvertere billige polykrystallinske metalfolier til enkeltkrystaller med overlegne egenskaber. Disse materialer har mange anvendelser inden for videnskab og teknologi.

Strukturen af ​​de fleste metalmaterialer kan betragtes som et patchwork af små krystaller, der bærer nogle defekter på grænserne mellem hver patch. Disse fejl, kendt som korngrænser (GB), forværre metalets elektriske og til tider mekaniske egenskaber. Derimod, enkeltkrystalmetaller har ingen GB og viser højere elektrisk ledningsevne og andre forbedrede kvaliteter, der kan spille en stor rolle inden for områder som elektronik, plasmonik og katalyse, blandt andre. Enkeltkrystal metalfolier har også tiltrukket stor opmærksomhed, fordi visse enkeltkrystal metaller, såsom kobber, nikkel og kobolt er egnede substrater til vækst af fejlfrit grafen, bornitrid og diamant.

Enkeltkrystaller fremstilles normalt begyndende med et såkaldt "krystalfrø". Konventionelle tilgange, såsom Czochralski- eller Bridgman -metoderne, eller andre baseret på aflejring af tynde metalfilm på enkeltkrystal uorganiske substrater, opnå små enkeltkrystaller til høje behandlingsomkostninger.

For at frigøre det fulde potentiale i sådanne metalstrukturer, IBS -teamet ledet af Rodney Ruoff ved Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST), sammen med Jin Sunghwan og Shin Hyung-Joon, opfandt den kontaktfrie annealing (CFA) teknik. CFA indebærer opvarmning af de polykrystallinske metalfolier til en temperatur lidt under smeltepunktet for hvert metal. Denne nye metode behøver ikke enkeltkrystalfrø eller skabeloner, der begrænser den maksimale krystalstørrelse. Metoden blev testet med fem forskellige typer metalfolier:kobber, nikkel, kobolt, platin og palladium. Det resulterede i en kolossal kornvækst, når op til 32 kvadratcentimeter for kobber.

Eksperimentets detaljer varierede alt efter det anvendte metal. For kobber, forskerne brugte kvartsholdere og en stang til at hænge metalfolien som tøj ophængt på tørresnore. Derefter blev folien opvarmet i flere timer i en atmosfære af hydrogen og argon i en rørformet ovn til cirka 1050 grader Celsius (1323 grader Kelvin), en temperatur tæt på kobbers smeltepunkt (1358 K), og derefter afkølet.

Forskerne opnåede også enkeltkrystaller fra nikkel- og koboltfolier, hver cirka 11 cm ² . De opnåede størrelser er begrænset af ovnens størrelse. For platin, resistiv opvarmning blev brugt på grund af dens højere smeltetemperatur (2041 K). Strøm blev ført gennem en platinfolie fastgjort til to modstående elektroder, derefter blev en elektrode flyttet og justeret for at holde folien flad under ekspansion og sammentrækning. Forskergruppen forventer, at dette trick fungerer til andre folier, fordi det også fungerede for palladium.

Disse store enkeltkrystal metalfolier er nyttige i flere applikationer. For eksempel, de kan tjene til at dyrke grafen oven på dem. Gruppen opnåede enkeltkrystal-monolag grafen i høj kvalitet på enkeltkrystal kobberfolie, og flerlags grafen på en enkelt krystal kobber-nikkel legeringsfolie.

Den nye enkeltkrystal kobberfolie viste forbedrede elektriske egenskaber. Samarbejdspartnere Yoo Won Jong og Moon Inyong ved Sungkyunkwan University målte en stigning på 7 procent i rumtemperaturens elektriske ledningsevne af enkeltkrystal kobberfolien, sammenlignet med den kommercielt tilgængelige polykrystallinske folie.

"Nu hvor vi har undersøgt disse fem metaller og opfundet en ligetil skalerbar metode til at lave så store enkeltkrystaller, der er det spændende spørgsmål om andre typer polykrystallinske metalfilm, såsom jern, kan også omdannes til enkeltkrystaller, "bemærker første forfatter til undersøgelsen, Jin Sunghwan.

Ruoff, hans vejleder, siger, "Nu hvor disse billige enkeltkrystal metalfolier er tilgængelige, det vil være enormt spændende at se, hvordan de bruges af de videnskabelige og ingeniørmiljøer. "