Precis som kloning i biologi möjliggör skapandet av en eller flera kopior av exakt samma gener, sådd tillväxt i kemi kan producera en mycket stor metallfolie med exakt samma ytstruktur som den hos en fröad. Frötillväxt är mycket populär vid syntetisering av tredimensionella (3-D) enstaka kristaller:3D-kristaller odlas alltid till samma former, precis som salter är alltid kubiska enkristaller.

Under tiden, mycket tunna folier/filmer kan växa till olika typer beroende på ytstrukturer. Som sådan, applikationer kan variera. Stora ansträngningar hade ägnats åt syntesen av enkristallina metallfolier eftersom de har många viktiga tillämpningar, såsom (i) ett substrat för att stödja syntesen av olika tvådimensionella (2-D) material, (ii) konstruera egenskaperna hos det material som deponeras på det, (iii) möjliggör selektiv katalys, och (iv) tillverkning av metalltrådar med optimerad elektrisk och värmeledningsförmåga. Trots sådana möjligheter, seedad tillväxt har sällan tillämpats för att odla tunna filmer på grund av bristande kunskap om hur man kontrollerar tillväxtprocessen.

Prof. Feng Dings grupp från Centrum för flerdimensionella kolmaterial, inom Institute for Basic Science (IBS, Sydkorea), i samarbete med prof. Kaihui Lius grupp och professor Enge Wangs grupp från Peking University, samt professor Dapeng Yus grupp från Southern University of Science and Technology, rapporterade hur man ger variationer till enstaka kristallina metallfolier. Via den oxidationsledda glödgnings- och seedade tillväxtstrategin, forskargruppen erhöll mer än 30 typer av kopparfolier i storlek A4 -papper (~ 30 × 21 cm ² ), vilket är ungefär samma storlek som amerikansk lag.

Forskargruppen har undersökt kopparfolier, ett av de mest populära substraten för att stödja tillväxten av grafen och andra 2-D-material. Även om de fick enkristalliga koppar (Cu) folier i sin tidigare studie ( Science Bulletin , 2017, 62, 1074-1080), de var mestadels Cu (111), vars yta är extremt platt och därmed mindre aktiv än de med stegkanter och knäckar. Genom teoretiska beräkningar, forskargruppen drog slutsatsen att Cu (111) tenderar att bildas lättare än andra typer, eftersom Cu (111) -ytan har den lägsta ytenergin och därmed är den mest gynnsamma strukturen i naturen. Detta resonemang fick dem att ställa in ytenergin för Cu-folier för att erhålla enkristalliga metallfolier med önskade yttyper.

Forskargruppen klippte ut "genen" av en liten kristallin folie och "klistrade" fröet (genen) för att skapa mycket stora Cu -folier med exakt samma ytstruktur som den hos den ärvda. För att erhålla enkristallina metallfrön med olika ytstrukturer, polykristallina Cu -folier oxiderades först och glödgades sedan vid hög temperatur (1020 ° C), som ligger nära smältpunkten för Cu, i flera timmar. När Cu oxiderades, både dess övre och nedre yta täcktes av ett lager kopparoxid (CuxO). Eftersom den rena Cu -ytan försvinner på grund av oxidationen, de två ytorna på en Cu-folie transformerades till två Cu-CuxO-gränssnitt efter föroxidation. Denna förändring växlade drivkraften för glödgning från ytanergi till gränssnittsenergi. "Vi har bevisat att till skillnad från ytenergiernas, skillnaderna i gränssnittsenergierna för olika Cu -folier är försumbara, så de polykristallina Cu -folierna kan glödgas till många olika typer av enstaka kristaller slumpmässigt. "förklarar professor Feng Ding, motsvarande författare till studien.

En liten bit folie klipptes sedan från en stor enkristallfolie med önskad ytstruktur som frö för massproduktion. Forskargruppen fann att glödgning av en stor polykristallin Cu -folie med ett sådant frö kommer att leda till en stor enkristall Cu -folie med exakt samma ytstruktur (Figur 2, steg 2).

Stora teoretiska och experimentella ansträngningar ägnades åt att förstå hur dessa enstaka kristallina Cu -folier bildades under glödgningen. En sådan process kan förstås i två steg. Först, ytstrukturen på fröet kopierades till den nedre delen av den stora polykristallina Cu -folien och bildade ett onormalt korn (ett korn som är mycket större än andra och har fördelen att växa upp ytterligare) med en specifik ytstruktur. Andra, tillväxten av det onormala kornet resulterar slutligen i en mycket stor enkristallisk Cu-folie med den angivna ytstrukturen.

Från hundratals glödgningsförsök, forskargruppen skaffade ett bibliotek med enkristallina Cu -folier med mer än 30 typer av olika ytstrukturer, som visas i figur 3. Måtten på de erhållna enkristallina Cu -folierna nådde 39 * 21 cm ² , som begränsades av glödgningsugnens storlek.

Förutom Cu folierna, forskarna visade att denna seedade tillväxtstrategi kan tillämpas för att tillverka enkristallfolier av stora metaller av andra metaller, tyder på att olika typer av enkristallfolier av de flesta metaller kan vara tillgängliga inom en snar framtid. "Denna prestation visar en praktisk metod för skalbar syntes av extremt stora övergångsmetall enkristallfolier med olika yttyper, vilket länge var önskvärt för både grundläggande vetenskapliga och tekniska tillämpningar. Vår prestation öppnar många möjligheter, såsom att använda enkristallsmetaller som ledande kanaler i mikroenheter; använda dessa enkristalliga metallfolier som mallar för kontrollerbar syntes av olika tvådimensionella material; odla stora molekylmönster med utvalda metallfolier; och selektivt katalysera kemiska reaktioner på en folieyta med en specifik struktur, "konstaterar professor Kaihui Liu.

Forskargruppen kommer sedan att sträva efter att förstå mekanismen för denna oxidationsledda sådd och sådd tillväxt på atomnivå. Experimentella ansträngningar för att syntetisera olika typer av enkristalliga metallfolier av olika metaller eller metalllegeringar kommer att fortsätta, samt utforska breda tillämpningar av dessa folier.

Studien publiceras i Natur .