Бесконтактный отжиг превратил металлическую фольгу в монокристалл

Sunghwan Jin et al./ Science, 2018

Корейские химики разработали технологию выращивания плоских металлических монокристаллов площадью до 32 квадратных сантиметров. Для этого был использован метод бесконтактного отжига в атмосфере водорода при температуре, близкой к температуре плавления металла. После многочасового отжига в поликристаллической пленке сначала появляется выделенная ориентация кристаллитов, а затем межзеренные границы исчезают, превращая участок фольги в единый монокристалл, пишут ученые в Science.

Большинство кристаллических материалов представляют собой не единую периодическую решетку, а состоят из большого количества «склеенных» между собой участков микрометрового размера. Внутри каждого из таких зерен сохраняется четкая периодическая структура расположения атомов, но между собой они разделены хорошо заметными границами, а ориентация кристаллических решеток двух соседних участков не совпадает. Из-за этого в сумме такая система теряет свои анизотропные свойства, которые могли бы возникнуть вследствие симметрии кристаллической структуры. Кроме того, на механических и транспортных свойствах поликристаллического материала (связанных, например, с переносом тепла или носителей заряда) сильно сказывается наличие межзеренных границ.

Чтобы была возможность использовать анизотропные свойства кристаллов, многие технологии требуют использования именно монокристаллических материалов. Например, в полупроводниковой технике используется монокристаллический кремний с известной ориентацией решетки. Синтез монокристаллов большого размера — непростая задача, и если для оксидных и неметаллических материалов сравнительно дешевые технологии разработаны, то с металлами дело обстоит несколько сложнее. Так, часто используют не монокристаллические материалы, а поликристаллические, но с преимущественной ориентацией зерен, получить которые можно с помощью методов литья, прокатки или волочения. Но чтобы получить полностью монокристаллические образцы, приходится выращивать их либо в объемной фазе с использованием специальных шаблонов, либо осаждая тонкие пленки на подложку. В результате образуются кристаллы не очень большого размера, а их производство оказывается довольно дорогим.

Группа химиков из Кореи под руководством Родни Руоффа (Rodney S. Ruoff) из Института фундаментальной науки в Ульсане разработала новый метод получения монокристаллических металлических пленок большой площади и использовала для этого бесконтактный отжиг (contact-free annealing). Авторы работы брали поликристаллическую металлическую фольгу (медную, никелевую, кобальтовую, платиновую или палладиевую) толщиной до 100 микромтеров, подвешивали ее на специальных кварцевых держателях, после чего отжигали в атмосфере водорода и аргона при температуре, очень близкой к температуре плавления. Отжиг длился от 12 до 80 часов в зависимости от материала и толщины фольги, а за динамикой движения межзеренных границ по фольге и изменения площади отдельных областей авторы работы следили с помощью методов рентгеновской дифракции и обратного рассеяния электронов.

Оказалось, что если изначально металлическая фольга состояла из множества кристаллических областей с различной ориентацией решетки, то во время отжига происходил преимущественный рост областей с ориентацией вдоль единственного кристаллографического направления, так что после многочасового отжига фольга лишалась всех межзеренных границ и превращалась в монокристалл. Для пленок меди, никеля, палладия и платины ориентация конечной пленки соответствовала плоскости (111), для пленок кобальта — плоскости (0001). Площадь монокристаллических пленок, полученных предложенным методом, составляла несколько (вплоть до 32) квадратных сантиметров.

По словам авторов работы, рост в фольге монокристаллических участков такой большой площади с заданной ориентацией происходил за счет стремления к снижению внутреннего напряжения при рекристаллизации. Предположительно, механизм выравнивания ориентации при бесконтактном отжиге основан на вращении кристаллической решетки и устранении разориентации между слоями — оба этих процесса приводят к снижению поверхностной энергии кристалла. Предложенный механизм ученые подтвердили с помощью компьютерного моделирования методом молекулярной динамики и показали, что важную роль в этом процессе играет наличие большого числа вакансий в кристаллической решетке.

По словам химиков, предложенный ими метод не требует использования затравочных кристаллов или специальных шаблонов, которые ограничивают максимальный размер монокристалла. Ученые отмечают, что подобный способ можно использовать для получения монокристаллических металлических пленок и для промышленного использования.

Одна из современных технологий, которая активно использует монокристаллические металлические пленки, — получение устройств с рекордно высокой плотностью информации, в которых для кодирования одного бита используется всего лишь несколько атомов. Например, группа физиков из Университета Дельфта предложила для этого наносить на медную пленку отдельные атомы хлора, которые деформировали идеальную квадратную решетку и по расположению возникающих в решетке дефектов кодировали биты в строках.

Александр Дубов

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.