Indstilling af overfladen giver variationer til metalfolier

Ligesom kloning i biologi muliggør oprettelse af en eller flere kopier af nøjagtig de samme gener, seedet vækst i kemi kan producere en meget stor metalfolie med nøjagtig samme overfladestruktur som for en seedet. Frøvækst er meget populær ved syntetisering af tredimensionelle (3-D) enkeltkrystaller:3D-krystaller vokser altid i de samme former, ligesom salte altid er kubiske enkeltkrystaller.

I mellemtiden, meget tynde folier/film kan vokse til forskellige typer afhængigt af overfladestrukturer. Som sådan, applikationer kan variere. Store bestræbelser var blevet dedikeret til syntesen af ​​enkeltkrystallinske metalfolier, da de har mange vigtige anvendelser, såsom (i) et substrat til understøttelse af syntesen af ​​forskellige todimensionale (2-D) materialer, (ii) konstruere egenskaberne af det materiale, der er deponeret på det, (iii) muliggør selektiv katalyse og (iv) fremstilling af metaltråde med optimerede elektriske og termiske ledningsevner. På trods af sådanne muligheder, podet vækst er sjældent blevet anvendt til at dyrke tynde film på grund af mangel på viden om, hvordan man styrer vækstprocessen.

Prof. Feng Dings gruppe fra Center for Multidimensionale kulstofmaterialer, inden for Institute for Basic Science (IBS, Sydkorea), i samarbejde med prof. Kaihui Lius gruppe og prof. Enge Wangs gruppe fra Peking University, samt professor Dapeng Yus gruppe fra Southern University of Science and Technology, rapporteret om, hvordan man giver variationer til enkeltkrystallinske metalfolier. Via den oxidationsledede annealing plus seeded vækststrategi, forskergruppen opnåede mere end 30 typer kobberfolier på størrelse med A4 -papir (~ 30 × 21 cm ² ), hvilket er nogenlunde samme størrelse som amerikansk lov.

Forskergruppen har undersøgt kobberfolier, et af de mest populære substrater til at understøtte væksten af ​​grafen og andre 2-D materialer. Selvom de opnåede enkeltkrystal kobber (Cu) folier i deres tidligere undersøgelse ( Science Bulletin , 2017, 62, 1074-1080), de var for det meste Cu (111), hvis overflade er ultraflad og dermed mindre aktiv end dem med trinkanter og knæk. Gennem teoretiske beregninger, forskergruppen konkluderede, at Cu (111) har tendens til at blive dannet lettere end andre typer, da Cu (111) overfladen har den laveste overfladeenergi og dermed er den mest gunstige struktur i naturen. Denne begrundelse fik dem til at justere overfladeenergien af ​​Cu-folier for at opnå enkeltkrystalmetalfolier med ønskede overfladetyper.

Forskergruppen udskærede "genet" af en lille enkelt krystallinsk folie og "indsatte" frøet (genet) for at skabe meget store Cu -folier med nøjagtig samme overfladestruktur som den for den arvelige. For at opnå enkelt krystallinske metalfrø med forskellige overfladestrukturer, polykrystallinske Cu -folier blev først oxideret og derefter udglødet ved en høj temperatur (1020 ° C), som er tæt på smeltepunktet for Cu, i flere timer. Da Cu blev oxideret, både dens øvre og nedre overflade var dækket af et lag kobberoxid (CuxO). Da den rene Cu -overflade forsvinder på grund af oxidationen, de to overflader på en Cu-folie blev omdannet til to Cu-CuxO-grænseflader efter præ-oxidation. Denne ændring skiftede drivkraften til glødning fra overfladeenergi til grænsefladeenergi. "Det har vi bevist, i modsætning til overfladenergiernes, forskellene i grænsefladeenergierne for forskellige Cu -folier er ubetydelige, så de polykrystallinske Cu -folier kan glødes tilfældigt i mange forskellige typer enkeltkrystaller. "forklarer professor Feng Ding, den tilsvarende forfatter til undersøgelsen.

Et lille stykke folie blev derefter skåret af en stor enkeltkrystalfolie med en ønsket overfladestruktur som frø til masseproduktion. Forskergruppen fandt ud af, at udglødningen af ​​en stor polykrystallinsk Cu -folie med et sådant frø vil føre til en stor enkeltkrystal Cu -folie med nøjagtig samme overfladestruktur (figur 2, trin 2).

Store teoretiske og eksperimentelle bestræbelser blev afsat til at forstå, hvordan disse enkeltkrystallinske Cu -folier blev dannet under glødningen. En sådan proces kan forstås i to faser. Først, frøets overfladestruktur blev kopieret til den nederste del af den store polykrystallinske Cu -folie og dannet et unormalt korn (et korn, der er meget større end andre og har den fordel at vokse yderligere) med en specifik overfladestruktur. Sekund, væksten af ​​det unormale korn resulterer til sidst i en meget stor enkeltkrystal Cu-folie med den udpegede overfladestruktur.

Fra hundredvis af udglødningsforsøg, forskergruppen opnåede et bibliotek med enkeltkrystallinske Cu -folier med mere end 30 typer forskellige overfladestrukturer, som vist i figur 3. Dimensionerne af de opnåede enkeltkrystallinske Cu -folier nåede 39 * 21 cm ² , som var begrænset af glødningsovnens størrelse.

Udover Cu -folierne, forskerne beviste, at denne frøede vækststrategi kan anvendes til at fremstille enkeltkrystalfolier af store metaller af andre metaller, tyder på, at forskellige typer enkeltkrystalfolier af de fleste metaller kunne være tilgængelige i den nærmeste fremtid. "Denne præstation demonstrerer en praktisk metode til skalerbar syntese af ekstremt store overgangsmetal enkeltkrystalfolier med forskellige overfladetyper, som længe var ønsket for både grundlæggende videnskabelige og tekniske applikationer. Vores præstation åbner mange muligheder, sådan at anvende enkeltkrystalmetaller som ledende kanaler i mikroenheder; bruge disse enkeltkrystal metalfolier som skabeloner til styrbar syntese af forskellige todimensionelle materialer; dyrke molekylære mønstre med stort område med udvalgte metalfolier; og selektivt katalysere kemiske reaktioner på en folieoverflade med en specifik struktur, "bemærker professor Kaihui Liu.

Forskerteamet vil derefter sigte mod at forstå mekanismen for denne oxidationsledede såning og såede vækst på atomniveau. Eksperimentelle bestræbelser på at syntetisere forskellige typer enkeltkrystal metalfolier af forskellige metaller eller metallegeringer vil fortsætte, samt at undersøge brede anvendelser af disse folier.

Undersøgelsen er offentliggjort i Natur .