近年來，隨着微納加工技術的不斷進步，芯片集成度愈發增大，短溝道效應和熱效應的問題顯現出來，這對材料性能提出了更高的要求。而單晶銅具有低損耗電學傳輸、高散熱性能等優異性質，是半導體工業中優選的導電散熱材料。此外，在全二維器件的研發中，石墨烯與氮化硼被認爲是全二維器件中最佳的半金屬和絕緣體材料，而單晶銅箔被證明是用來外延生長單晶石墨烯與氮化硼等二維材料的關鍵襯底，因此，制備具有多種對稱性結構的大尺寸單晶銅箔在半導體工業上具有重大意義。
基於此，北京大學物理學院劉開輝研究員及其合作者發展了一種全新的退火技術，實現了對銅箔再結晶長大過程中熱力學和動力學的控制。與傳統退火工藝不同，通過設計的預氧化過程使銅箔表面形成一層氧化物，銅與銅氧化物界面的形成使得傳統的“表面能最低”不再是晶面形成的主要驅動力，從而大幅提高高指數晶面“核”的形成概率；通過還原性氣氛退火調控晶界運動動力學過程，可實現該高指數晶面“核”的異常長大，從而制備出A4紙尺寸的高指數晶面單晶，晶面種類多達30餘種；由於銅箔傳統的退火方式只能得到Cu(111)晶面，因此，該得到高指數晶面單晶銅箔的過程被形象地稱爲晶面“變異”過程。同時，與之相似地，研究人員創造性地提出了晶面“遺傳”過程：利用制備得到的單晶銅箔作爲“籽晶”，誘導多晶銅箔轉化爲與“籽晶”具有相同晶向的單晶，從而實現了特定晶面的大尺寸單晶銅箔和單晶銅錠的定向“復制”制造。該方法對其他單晶金屬箔制備具有普適性。
圖1. 單晶銅箔庫中不同晶面指數銅箔的原子結構示意圖。
研究團隊通過提出的晶體表界面調控的“變異和遺傳”生長機制，在國際上首次實現了種類最全、尺寸最大的高指數晶面單晶銅箔庫的制造，相關研究成果以“Seeded growth of large single-crystal copper foils with high-index facets”爲題發表在《自然》雜志上。吳慕鴻、張志斌、徐小志、張智宏爲論文共同第一作者，劉開輝、王恩哥、俞大鵬、丁峯爲論文通訊作者。該研究成果得到了自然科學基金委、科技部、北京市科委等相關項目及北京大學人工微結構與介觀物理國家重點實驗室、量子物質科學協同創新中心等的大力支持。
