Een onderzoeksgroep van het Center for Multidimensional Carbon Materials, binnen het Instituut voor Basiswetenschappen (IBS), heeft een artikel gepubliceerd in Wetenschap beschrijft een nieuwe methode om goedkope polykristallijne metaalfolies om te zetten in eenkristallen met superieure eigenschappen. Deze materialen hebben veel toepassingen in wetenschap en technologie.

De structuur van de meeste metalen materialen kan worden gezien als een lappendeken van kleine kristallen met enkele defecten op de randen tussen elke pleister. deze gebreken, bekend als korrelgrenzen (GB's), verslechteren de elektrische en soms mechanische eigenschappen van het metaal. Daarentegen, eenkristalmetalen hebben geen GB's en vertonen een hogere elektrische geleidbaarheid en andere verbeterde eigenschappen die een belangrijke rol kunnen spelen op gebieden zoals elektronica, plasmonica en katalyse, onder andere. Eenkristalmetaalfolies hebben ook veel aandacht getrokken omdat bepaalde eenkristalmetalen, zoals koper, nikkel en kobalt zijn geschikte substraten voor de groei van foutloos grafeen, boornitride en diamant.

Eenkristallen worden normaal gesproken gefabriceerd beginnend met een zogenaamd "kristalzaad". conventionele benaderingen, zoals de Czochralski- of Bridgman-methode, of andere gebaseerd op de afzetting van dunne metaalfilms op eenkristal anorganische substraten, bereiken van kleine eenkristallen tegen hoge verwerkingskosten.

Om het volledige potentieel van dergelijke metalen constructies te ontsluiten, het IBS-team onder leiding van Rodney Ruoff van het Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST), samen met Jin Sunghwan en Shin Hyung-Joon, de uitvinder van de contact-free annealing (CFA) techniek. CFA omvat het verhitten van de polykristallijne metaalfolies tot een temperatuur die iets onder het smeltpunt van elk metaal ligt. Deze nieuwe methode heeft geen enkele kristalzaden of sjablonen nodig die de maximale kristalgrootte beperken. De methode is getest met vijf verschillende soorten metaalfolies:koper, nikkel, kobalt, platina en palladium. Het resulteerde in een kolossale korrelgroei, reikend tot 32 vierkante centimeter voor koper.

De details van het experiment varieerden afhankelijk van het gebruikte metaal. In het geval van koper, de onderzoekers gebruikten kwartshouders en een staaf om de metaalfolie op te hangen als kleding aan waslijnen. Vervolgens werd de folie enkele uren in een atmosfeer van waterstof en argon in een buisvormige oven verhit tot ongeveer 1050 graden Celsius (1323 graden Kelvin), een temperatuur dichtbij het smeltpunt van koper (1358 K), en daarna afgekoeld.

De wetenschappers bereikten ook enkele kristallen uit nikkel- en kobaltfolies, elk ongeveer 11 cm ² . De bereikte afmetingen worden beperkt door de afmeting van de oven. voor platina, weerstandsverwarming werd gebruikt vanwege de hogere smelttemperatuur (2041 K). Stroom werd geleid door een platinafolie die was bevestigd aan twee tegenover elkaar liggende elektroden, vervolgens werd één elektrode verplaatst en aangepast om de folie plat te houden tijdens uitzetting en samentrekking. Het onderzoeksteam verwacht dat deze truc ook werkt voor andere folies, omdat het ook werkte voor palladium.

Deze grote monokristallijne metaalfolies zijn bruikbaar in verschillende toepassingen. Bijvoorbeeld, ze kunnen dienen om er grafeen op te laten groeien. De groep verkreeg hoogwaardig monolaags monolaag grafeen op monokristallijne koperfolie, en meerlagig grafeen op een eenkristal-koper-nikkellegeringsfolie.

De nieuwe eenkristal koperfolie vertoonde verbeterde elektrische eigenschappen. Medewerkers Yoo Won Jong en Moon Inyong van de Sungkyunkwan University maten een toename van 7 procent in de elektrische geleidbaarheid bij kamertemperatuur van de eenkristal koperfolie, vergeleken met de in de handel verkrijgbare polykristallijne folie.

"Nu we deze vijf metalen hebben onderzocht en een eenvoudige schaalbare methode hebben uitgevonden om zulke grote eenkristallen te maken, is er de opwindende vraag of andere soorten polykristallijne metaalfilms, zoals ijzer, kan ook worden omgezet in eenkristallen, " merkt eerste auteur van de studie op, Jin Sunghwan.

Ruf, zijn begeleider, zegt, "Nu deze goedkope monokristallijne metaalfolies beschikbaar zijn, het zal enorm spannend zijn om te zien hoe ze worden gebruikt door de wetenschappelijke en technische gemeenschappen."