Net zoals klonen in de biologie de creatie van een of meer replica's van exact dezelfde genen mogelijk maakt, gezaaide groei in de chemie kan een zeer grote metaalfolie produceren met exact dezelfde oppervlaktetextuur als die van een gezaaide. Gezaaide groei is erg populair bij het synthetiseren van driedimensionale (3-D) eenkristallen:3D-kristallen worden altijd in dezelfde vormen gekweekt, net zoals zouten altijd kubische eenkristallen zijn.

In de tussentijd, zeer dunne folies/films kunnen uitgroeien tot verschillende soorten, afhankelijk van de oppervlaktestructuren. Als zodanig, toepassingen kunnen variëren. Er zijn grote inspanningen geleverd voor de synthese van enkelkristallijne metaalfolies, aangezien deze veel belangrijke toepassingen hebben, zoals (i) een substraat om de synthese van verschillende tweedimensionale (2-D) materialen te ondersteunen, (ii) het ontwerpen van de eigenschappen van het materiaal dat erop is afgezet, (iii) selectieve katalyse mogelijk te maken, en (iv) het vervaardigen van metaaldraden met geoptimaliseerde elektrische en thermische geleidbaarheid. Ondanks dergelijke mogelijkheden, gezaaide groei is zelden toegepast om dunne films te laten groeien vanwege een gebrek aan kennis over hoe het groeiproces te beheersen.

Prof. Feng Ding's groep van het Center for Multidimensional Carbon Materials, binnen het Instituut voor Basiswetenschappen (IBS, Zuid-Korea), in samenwerking met de groep van prof. Kaihui Liu en de groep van prof. Enge Wang van de Universiteit van Peking, evenals de groep van Prof. Dapeng Yu van de Southern University of Science and Technology, rapporteerde hoe variaties kunnen worden gegeven aan enkelkristallijne metaalfolies. Via de oxidatie-geleide annealing plus gezaaide groeistrategie, het onderzoeksteam verkreeg meer dan 30 soorten koperfolies ter grootte van A4-papier (~30×21 cm ² ), die ongeveer even groot is als de Amerikaanse wet.

Het onderzoeksteam heeft koperfolies onderzocht, een van de meest populaire substraten om de groei van grafeen en andere 2D-materialen te ondersteunen. Hoewel ze in hun vorige onderzoek monokristallijne koperfolies (Cu) hebben verkregen ( Wetenschapsbulletin , 2017, 62, 1074-1080), ze waren meestal Cu (111) waarvan het oppervlak ultraplat en dus minder actief is dan die met stapranden en knikken. Door theoretische berekeningen, het onderzoeksteam concludeerde dat Cu (111) gemakkelijker wordt gevormd dan andere typen, aangezien het Cu (111)-oppervlak de laagste oppervlakte-energie heeft en dus de meest gunstige structuur in de natuur is. Deze redenering bracht hen ertoe de oppervlakte-energie van Cu-folies af te stemmen om monokristallijne metaalfolies met de gewenste oppervlaktetypes te verkrijgen.

Het onderzoeksteam sneed het "gen" uit een kleine enkelvoudige kristallijne folie en "plakte" het zaad (gen) om zeer grote Cu-folies te maken met exact dezelfde oppervlaktetextuur als die van de geërfde. Om enkelkristallijne metaalzaden met verschillende oppervlaktestructuren te verkrijgen, polykristallijne Cu-folies werden eerst geoxideerd en vervolgens gegloeid bij hoge temperatuur (1020 ° C), dat dicht bij het smeltpunt van Cu ligt, voor enkele uren. Toen het Cu werd geoxideerd, zowel het boven- als het onderoppervlak waren bedekt met een laag koperoxide (CuxO). Omdat het zuivere Cu-oppervlak door de oxidatie verdwijnt, de twee oppervlakken van een Cu-folie werden na pre-oxidatie omgezet in twee Cu-CuxO-interfaces. Deze wijziging veranderde de drijvende kracht van gloeien van oppervlakte-energie naar interface-energie. "Dat hebben we bewezen, in tegenstelling tot die van de oppervlakte-energieën, de verschillen van de interface-energieën van verschillende Cu-folies zijn verwaarloosbaar, dus de polykristallijne Cu-folies kunnen willekeurig in veel verschillende soorten eenkristallen worden gegloeid", legt professor Feng Ding uit, de corresponderende auteur van de studie.

Een klein stukje folie werd vervolgens gesneden uit een grote monokristallijne folie met een gewenste oppervlaktestructuur als kiem voor massaproductie. Het onderzoeksteam ontdekte dat het uitgloeien van een grote polykristallijne Cu-folie met een dergelijk zaad zal leiden tot een grote eenkristal Cu-folie met exact dezelfde oppervlaktestructuur (Figuur 2, stage 2).

Er werden grote theoretische en experimentele inspanningen geleverd om te begrijpen hoe deze enkelkristallijne Cu-folies tijdens het uitgloeien werden gevormd. Een dergelijk proces kan in twee fasen worden begrepen. Eerst, de oppervlaktestructuur van het zaad werd gekopieerd naar het onderste deel van de grote polykristallijne Cu-folie en vormde een abnormale korrel (een korrel die veel groter is dan andere en het voordeel heeft om verder op te groeien) met een specifieke oppervlaktestructuur. Tweede, de groei van de abnormale korrel resulteert uiteindelijk in een zeer grote monokristallijne Cu-folie met de aangegeven oppervlaktestructuur.

Uit honderden annealing-experimenten, het onderzoeksteam verkreeg een bibliotheek van enkelkristallijne Cu-folies met meer dan 30 soorten verschillende oppervlaktestructuren, zoals weergegeven in figuur 3. De afmetingen van de verkregen enkelkristallijne Cu-folies bereikten 39 * 21 cm ² , die werd beperkt door de grootte van de gloeioven.

Naast de Cu-folies, de onderzoekers bewezen dat deze gezaaide groeistrategie kan worden toegepast om eenkristalfolie met een groot oppervlak van andere metalen te fabriceren, wat suggereert dat er in de nabije toekomst verschillende soorten monokristallijne folies van de meeste metalen beschikbaar zouden kunnen zijn. "Deze prestatie demonstreert een praktische methode voor schaalbare synthese van extreem grote eenkristalfolies van overgangsmetaal met verschillende oppervlaktetypes, wat lang gewenst was voor zowel fundamentele wetenschappelijke als technische toepassingen. Onze prestatie opent vele mogelijkheden, zoals het gebruik van monokristallijne metalen als geleidende kanalen in micro-apparaten; gebruik deze monokristallijne metaalfolies als sjablonen voor controleerbare synthese van verschillende tweedimensionale materialen; moleculaire patronen met een groot oppervlak laten groeien met geselecteerde metaalfolies; en selectief chemische reacties katalyseren op een folieoppervlak met een specifieke structuur, " merkt professor Kaihui Liu op.

Het onderzoeksteam zal vervolgens proberen het mechanisme van deze door oxidatie geleide zaaien en gezaaide groei op atomair niveau te begrijpen. Experimentele inspanningen om verschillende soorten monokristallijne metaalfolies van verschillende metalen of metaallegeringen te synthetiseren, zullen worden voortgezet, evenals het verkennen van brede toepassingen van deze folies.

De studie is gepubliceerd in Natuur .