Nature Communications | 南洋理工大学：高质量Cu(111)薄膜上实现均匀的hBN和石墨烯层的生长！

研究背景

具有单晶特性和超平坦表面的金属箔片被视为高质量二维（2D）材料外延生长的理想基底，因其卓越的催化效应、晶格匹配和经济性。近年来，许多基底工程研究报告了改善金属箔片质量的方法。

之前的研究通过多种方法实现了金属基底的单晶化，例如无接触退火、种子生长高指数晶面金属和单晶蓝宝石外延生长。利用这些单晶箔片，已经在Cu(110)、Cu(111)、Ni(111)和CuNi(111)上合成了大面积单晶的六方氮化硼（hBN）、石墨烯和二维范德华异质结构，突显了金属基底特性在高质量纳米材料生产中的重要性。除了晶体结构，金属箔片的表面平整度也是一个必须考虑的重要方面。

基底的平整度不仅在高温生长过程中至关重要，而且对后续的二维材料转移也有重要影响。商业铜箔通常表面粗糙，导致在二维材料的外延生长中出现高成核密度、过度皱纹和薄膜不连续等问题。虽然通过在蓝宝石基底上溅射或化学机械抛光过程成功制备了高质量的超平坦Cu(111)和CuNi(111)薄膜晶圆，但开发高效的金属箔片平整方法仍然至关重要，以实现二维材料的经济生产和可扩展制备。目前，电化学抛光（ECP）技术被认为是通过电解过程中的化学反应来减少金属箔片表面粗糙度的一种广泛接受的方法。

然而，作者发现ECP过程会在处理的金属箔片的浅层中引入不希望的污染物，从而导致生长的二维材料中出现额外的杂质，这对其纳米器件应用产生不利影响。因此，需要一种无污染的超平坦金属箔片制备策略。

研究内容

在本研究中，南洋理工大学刘正教授课题组、Bo Tian联合阿卜杜拉国王科技大学Xixiang Zhang团队报告了一种使用表面声波（SAW）辅助退火策略来平整商业可用的铜箔表面的物理方法。作者发现外部SAW有效促进了铜箔表面原子的重新定位，在退火温度下。这导致表面台阶的显著消除，进一步形成了平坦的Cu(111)箔片。对所生产箔片的表面形态进行了全面评估，揭示了原子级台阶和显著降低的表面粗糙度。SAW平整过程中铜表面原子的重新定位通过分子动力学（MD）模拟进行了建模。

该工作以题为“Ultraflat Cu(111) foils by surface acoustic wave-assisted annealing”的论文发表在最新一期《Nature Communications》上，此外，利用SAW制备的平坦铜箔作为生长基底，作者合成了光滑且连续的二维材料薄膜，包括hBN和石墨烯。作者还研究了hBN涂层在平坦金属表面上对抗氧化的增强保护能力，得到了实验证据和密度泛函理论（DFT）的支持。

图文解读

本文通过多种先进的表征手段，对金属薄膜的平整化和二维材料的生长进行了深入研究，揭示了表面原子重定位的微观机制。首先，作者利用光学显微镜和拉曼光谱仪对铜（111）单晶薄膜的表面质量进行了评估，结果显示经表面声波（SAW）处理后的薄膜表面光滑度显著提高，表明SAW加速了金属表面原子的重新分布，有效消除了较大的表面台阶，从而实现了无污染的薄膜平整化。

针对Cu(111)薄膜的平整现象，作者采用了原子力显微镜（AFM）进行微观形貌表征，观察到SAW处理后薄膜表面粗糙度显著降低。这一现象通过详细的AFM图像分析得到了验证，揭示了SAW处理在表面光滑化过程中的重要作用。此外，作者还进行了扫描电子显微镜（SEM）和电子背散射衍射（EBSD）分析，以评估薄膜的晶体结构及取向，结果表明，SAW处理后薄膜的晶体取向性得到了显著改善，显示出优良的单晶特性。

在此基础上，作者使用X射线光电子能谱（XPS）和动态二次离子质谱（D-SIMS）对二维材料的成分及其化学状态进行了详细表征。通过XPS分析，作者确认了在平整的Cu(111)薄膜上生长的氮化硼（hBN）层的均匀性和高质量，且hBN层表现出优异的抗腐蚀性，进一步证明了其作为单晶二维材料生长底材的潜力。同时，D-SIMS实验帮助作者探讨了hBN与Cu基底之间的界面特性，为理解其生长机理提供了重要信息。

此外，作者还进行了透射电子显微镜（TEM）和扫描透射电子显微镜（STEM）测量，以观察材料的晶体缺陷和原子结构。FIB制备的横截面样品在TEM下显示出hBN单层的完美晶体结构，并揭示了生长过程中可能产生的界面缺陷。通过这些表征手段，作者不仅分析了材料的微观结构，还深入探讨了其生长和稳定机制。

总之，经过多种表征手段的综合分析，本文深入探讨了声波处理对金属薄膜平整化及二维材料生长的影响。通过揭示SAW处理在促进金属表面原子重定位和减小表面粗糙度方面的作用，作者成功制备出高质量的Cu(111)薄膜，并在其上实现了均匀的hBN和石墨烯层的生长。这一研究不仅推动了金属表面工程的发展，还为未来大面积单晶二维材料的生长提供了新的技术路径，具有重要的工业应用潜力。

图 1 | 表面声波（SAW）退火处理

图 2 | 通过 SAW 处理形成平坦的 Cu(111) 箔。

图 3 | 经 SAW 处理的扁平铜箔上的 2D 材料生长。

图 4 | 平面Cu(111)箔上单层hBN的防腐性能。

结论展望

本文报道了一种物理平整策略，用于生产平坦的金属箔。作者发现，表面声波（SAW）加速了金属表面原子的重新定位，从而有效消除了较大的台阶，最终实现了无污染的箔片平整化。以平坦的Cu(111)箔为基础，作者制备了大面积高质量的二维材料，包括石墨烯和氮化硼（hBN）。此外，作者观察到，通过作者提出的SAW策略获得的平坦Cu(111)箔，在覆盖一层连续的hBN后，展现出优异的抗腐蚀性能，使其成为未来大面积单晶二维材料外延生长的理想基底。这种无化学污染的SAW平整策略预计可以应用于多种金属，为金属表面工程和工业生产提供了显著的潜力。

该工作发表在Nature Communications上

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-53573-y