中国半导体十大研究进展候选推荐（2020-020）——— 大尺寸高指数晶面单晶铜箔库的成功制备

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工作简介

         ——大尺寸高指数晶面单晶铜箔库的成功制备

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。

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主要作者简介

通讯作者刘开辉，北京大学物理学院研究员，博导。

长期从事界面调控二维材料生长动力学和物性的研究，已发表SCI论文140余篇，其中包括通讯作者的Nature （2篇）、Natute子刊（7篇）。撰写综述文章8篇，主编专著1部。获得国家基金委“优青”、北京市 “杰青”等人才项目资助；担任国家重点研发计划课题负责人、Science Buletin副主编。

通讯作者王恩哥，中国科学院院士，第三世界科学院院士。

主要从事凝聚态物理研究。曾任北京大学校长、中国科学院副院长。2018年9月当选为美国物理学会国际董事，是中国首位担任该职务的科学家。曾获国际先进材料终身成就奖、发展中国家科学院物理奖、世界华人“亚洲成就奖”。

通讯作者俞大鹏，中国科学院院士。

现任南方科技大学讲席教授、深圳量子科学与工程研究院院长。长期从事低维纳米结构物理研究。2014至2018 年连续进入在Elsevier 发布的在全球具有重要学术影响力的中国高被引学者，位列“物理与天文”学科榜单的前列。

通讯作者丁峰，韩国蔚山国家科学技术研究所教授。

长期从事各种碳材料和二维材料的计算方法开发，理论探索，特别是其形成机制，成核，生长和蚀刻的动力学。发表SCI论文200余篇，其中发表在Science、Nature、Nature子刊、PNAS，Sci Adv.，PRL.，JACS，ACIE等期刊上的论文超过30篇。

第一作者吴慕鸿，北京大学物理学院助理研究员。

主要从事轻元素硼碳氮体系低维材料的制备与物性研究，已发表SCI论文16篇，申请发明专利9项，获授权5项。在高技术装备设计制造方面，近期已经成功建设了大尺寸单晶CVD系统小试生产设备，突破了现有实验室设备的尺寸限制，实现了石墨烯高端产业制造装备的国产化。

第一作者张志斌，北京大学物理学院博士生。

主要从事单晶金属材料的制备研究。已发表SCI论文7篇，参与编著学术著作1部，申请发明专利7项，获授权1项。获得北京大学二等奖学金、唐立新奖学金、优秀科研奖等奖励。

第一作者徐小志，华南师范大学物理与电信工程学院研究员。

主要从事低维材料与器件研究，近五年第一作者（含共一）文章包括Nature（2篇）、 Nature Nanotechnology、 Nature Chemistry。获得国家“博新计划”、 广东省杰出青年基金等项目支持，担任广东省重点领域研发计划首席科学家。

第一作者张智宏，北京大学物理学院博士后。

主要从事大尺寸单晶石墨烯、单晶金属箔片的制备研究，已发表学术论文29篇，第一作者文章7篇（含共一）。共申请发明专利16项，获授权8项。2019年，获得第66批中国博士后科学基金面上二等资助。

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原文传递

详情请点击论文链接: https://www.nature.com/articles/s41586-020-2298-5

《半导体学报》简介：

《半导体学报》是中国科学院主管、中国电子学会和中国科学院半导体研究所主办的学术刊物，1980年创刊，首任主编是王守武院士，黄昆先生撰写了创刊号首篇论文，2009年改为全英文月刊Journal of Semiconductors（简称JOS），同年开始与IOPP英国物理学会出版社合作向全球发行。现任主编是中科院副院长、国科大校长李树深院士。

2016年，JOS被ESCI收录。

2019年，JOS入选“中国科技期刊卓越行动计划”。

“中国半导体十大研究进展”推荐与评选工作简介：

《半导体学报》在创刊四十年之际，启动实施 “中国半导体年度十大研究进展”的推荐和评选工作，记录我国半导体科学与技术研究领域的标志性成果。以我国科研院所、高校和企业等机构为第一署名单位，本年度公开发表的半导体领域研究成果均可参与评选。请推荐人或自荐人将研究成果的PDF文件发送至《半导体学报》电子邮箱：[e-mail]，并附简要推荐理由。被推荐人须提供500字左右工作简介，阐述研究成果的学术价值和应用前景。年度十大研究进展将由评审专家委员会从候选推荐成果中投票产生，并于下一年度春节前公布。

JOSarXiv预发布平台简介：

半导体科技发展迅猛，科技论文产出数量逐年增加。JOSarXiv致力于为国内外半导体领域科研人员提供中英文科技论文免费发布和获取的平台，保障优秀科研成果首发权的认定，促进更大范围的学术交流。JOSarXiv由《半导体学报》主编李树深院士倡导建立，编辑部负责运行和管理，是国内外第一个专属半导体科技领域的论文预发布平台，提供预印本论文存缴、检索、发布和交流共享服务。

JOSarXiv于2020年1月1日正式上线（http://arxiv.jos.ac.cn/），通过《半导体学报》官网（http://www.jos.ac.cn/）亦可访问。敬请关注和投稿！

半导体学报公众号

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