En forskargrupp vid Centrum för flerdimensionella kolmaterial, inom Institute for Basic Science (IBS), har publicerat en artikel i Vetenskap beskriver en ny metod för att omvandla billiga polykristallina metallfolier till enstaka kristaller med överlägsna egenskaper. Dessa material har många tillämpningar inom vetenskap och teknik.

Strukturen hos de flesta metallmaterial kan ses som ett lapptäcke av små kristaller som bär några defekter på gränserna mellan varje lapp. Dessa defekter, kända som spannmålsgränser (GBs), förvärra metallens elektriska och ibland mekaniska egenskaper. Däremot, enkristallmetaller har inga GB och visar högre elektrisk konduktivitet och andra förbättrade kvaliteter som kan spela en stor roll inom områden som elektronik, plasmonik och katalys, bland andra. Enkelkristallmetallfolier har också väckt stor uppmärksamhet eftersom vissa enkristallmetaller, som koppar, nickel och kobolt är lämpliga substrat för tillväxt av defektlös grafen, bornitrid och diamant.

Enstaka kristaller tillverkas normalt med början med ett så kallat "kristallfrö". Konventionella metoder, såsom Czochralski- eller Bridgman -metoderna, eller andra baserade på avsättning av tunna metallfilmer på oorganiska enkristalliga substrat, uppnå små enkristaller till höga bearbetningskostnader.

För att frigöra den fulla potentialen hos sådana metallkonstruktioner, IBS -teamet som leds av Rodney Ruoff vid Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST), tillsammans med Jin Sunghwan och Shin Hyung-Joon, uppfann den kontaktfria glödgningstekniken (CFA). CFA innebär att de polykristallina metallfolierna upphettas till en temperatur något under smältpunkten för varje metall. Denna nya metod behöver inte enstaka kristallfrön eller mallar som begränsar den maximala kristallstorleken. Metoden testades med fem olika typer av metallfolier:koppar, nickel, kobolt, platina och palladium. Det resulterade i en kolossal spannmålstillväxt, når upp till 32 kvadratcentimeter för koppar.

Experimentets detaljer varierade beroende på vilken metall som användes. När det gäller koppar, forskarna använde kvartshållare och en stav för att hänga metallfolien som kläder upphängda på klädstreck. Sedan upphettades folien i flera timmar i en vätgas- och argonatmosfär i en rörformad ugn till cirka 1050 grader Celsius (1323 grader Kelvin), en temperatur nära koppars smältpunkt (1358 K), och sedan svalnat.

Forskarna uppnådde också enstaka kristaller från nickel- och koboltfolier, ca 11 cm vardera ² . De uppnådda storlekarna begränsas av ugnens storlek. För platina, resistiv uppvärmning användes på grund av dess högre smälttemperatur (2041 K). Ström passerade genom en platina folie fäst på två motsatta elektroder, sedan flyttades en elektrod och justerades för att hålla folien platt under expansion och kontraktion. Forskargruppen förväntar sig att detta trick fungerar för andra folier, eftersom det också fungerade för palladium.

Dessa stora enkristalliga metallfolier är användbara i flera tillämpningar. Till exempel, de kan tjäna till att odla grafen ovanpå dem. Gruppen erhöll högkvalitativt enkristallmonoskikt grafen på enkristall kopparfolie, och flerlagers grafen på en enkelkristall koppar-nickellegeringsfolie.

Den nya enkristalliga kopparfolien visade förbättrade elektriska egenskaper. Samarbetspartners Yoo Won Jong och Moon Inyong vid Sungkyunkwan University mätte en 7 -procentig ökning av rumstemperaturens elektriska konduktivitet för enkristallkopparfolie, jämfört med den kommersiellt tillgängliga polykristallina folien.

"Nu när vi har utforskat dessa fem metaller och uppfunnit en enkel skalbar metod för att göra så stora enstaka kristaller, det är den spännande frågan om andra typer av polykristallina metallfilmer, som järn, kan också omvandlas till enkristaller, "konstaterar första författare till studien, Jin Sunghwan.

Ruoff, hans handledare, säger, "Nu när dessa billiga enkristalliga metallfolier finns tillgängliga, Det kommer att bli oerhört spännande att se hur de används av de vetenskapliga och tekniska samhällena. "