近年来，随着微纳加工技术的不断进步，芯片集成度愈发增大，短沟道效应和热效应的问题显现出来，这对材料性能提出了更高的要求。而单晶铜具有低损耗电学传输、高散热性能等优异性质，是半导体工业中优选的导电散热材料。此外，在全二维器件的研发中，石墨烯与氮化硼被认为是全二维器件中最佳的半金属和绝缘体材料，而单晶铜箔被证明是用来外延生长单晶石墨烯与氮化硼等二维材料的关键衬底，因此，制备具有多种对称性结构的大尺寸单晶铜箔在半导体工业上具有重大意义。

基于此，北京大学物理学院刘开辉研究员及其合作者发展了一种全新的退火技术，实现了对铜箔再结晶长大过程中热力学和动力学的控制。与传统退火工艺不同，通过设计的预氧化过程使铜箔表面形成一层氧化物，铜与铜氧化物界面的形成使得传统的“表面能最低”不再是晶面形成的主要驱动力，从而大幅提高高指数晶面“核”的形成概率；通过还原性气氛退火调控晶界运动动力学过程，可实现该高指数晶面“核”的异常长大，从而制备出A4纸尺寸的高指数晶面单晶，晶面种类多达30余种；由于铜箔传统的退火方式只能得到Cu(111)晶面，因此，该得到高指数晶面单晶铜箔的过程被形象地称为晶面“变异”过程。同时，与之相似地，研究人员创造性地提出了晶面“遗传”过程：利用制备得到的单晶铜箔作为“籽晶”，诱导多晶铜箔转化为与“籽晶”具有相同晶向的单晶，从而实现了特定晶面的大尺寸单晶铜箔和单晶铜锭的定向“复制”制造。该方法对其他单晶金属箔制备具有普适性。

图1. 单晶铜箔库中不同晶面指数铜箔的原子结构示意图。

研究团队通过提出的晶体表界面调控的“变异和遗传”生长机制，在国际上首次实现了种类最全、尺寸最大的高指数晶面单晶铜箔库的制造，相关研究成果以“Seeded growth of large single-crystal copper foils with high-index facets”为题发表在《自然》杂志上。吴慕鸿、张志斌、徐小志、张智宏为论文共同第一作者，刘开辉、王恩哥、俞大鹏、丁峰为论文通讯作者。该研究成果得到了自然科学基金委、科技部、北京市科委等相关项目及北京大学人工微结构与介观物理国家重点实验室、量子物质科学协同创新中心等的大力支持。

论文链接: https://www.nature.com/articles/s41586-020-2298-5