CN112144116A - 一种简易、选择性制备单晶铜箔的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于单晶铜箔制备技术领域,具体涉及一种简易、选择性制备单晶铜箔的方法。该方法首先用混合溶液对廉价的多晶铜箔进行清洗,后将铜箔置于退火炉中在接近其熔点的温度保温一段时间,使之表面熔化,然后在一定时间内降低至一定温度,进行退火处理。通过控制表面熔化温度到退火温度的降温速率,最终可以选择性制备出(111)或(110)单晶铜箔。本发明在一定程度上整合了单晶铜箔的制备工艺,减少了资源浪费,具有很大的工业化运用前景。
Description
技术领域
本发明属于单晶铜箔制备技术领域,具体涉及一种简易、选择性制备单晶铜箔的方法。
背景技术
目前,单晶金属的制备方法主要分为提拉法和布里奇曼法,为了获取单晶的金属箔,往往需要使昂贵块体单晶经过切割、打磨、抛光等额外得工艺,增加了制备成本。此外,也可以通过将其多晶态的金属箔经过一定处理(如退火)以获得单晶箔。铜作为最常用的金属之一,其单晶比多晶具有更强的机械性能,并且由于晶界的缺失,单晶铜展示出更高的电导率,例如其通过提拉法制备的单晶铜线比其多晶室温电子迁移率高9%。原子级平整单晶铜箔拥有均匀的表面取向和一定的催化作用,故常被用作一些二维材料的生长衬底(如石墨烯、h-BN)及表面催化研究材料。
目前将多晶铜箔转化为单晶铜箔的方法有:
1.改良的布里奇曼法:先将多晶铜箔的一端剪为锐角尖端,之后将剪切后的铜箔通过设计的卷对卷机械装于炉中退火,实现了5×50 cm2(111)单晶铜箔的动态制备。此法实际与布里奇曼法制备块状单晶金属的原理一致,均是通过施加一个温度梯度,以产生单晶从一端到另一端的单向凝固。但是从其得到的(111)单晶铜箔的光镜图像及其EBSD衍射图像,可以看出得到的单晶铜箔表面杂质较多,较为粗糙且(111)单晶分布不够均匀。
2.无接触退火:通过一个特殊的石英装置,将多晶铜箔悬挂于其上并一端固定,其它部分均未与石英装置接触,之后将整体进行退火处理,制备出32 cm2的(111)单晶铜箔。整个退火过程中,悬挂的铜箔没有受到像平铺在石英片表面退火时的应力影响,是制备单晶铜箔的关键。但是该方法未实现单晶铜箔的选择性制备,即制备出的铜箔只呈现出(111)晶面,难以将多种单晶铜箔的工艺整合。
3.预氧化退火:将铜箔置于氧化性气体氛围中进行预氧化处理,使铜箔表面完全氧化,后将表面完全氧化的铜箔置于还原性气体氛围中进行还原处理,得到单晶铜箔。然而,多种铜氧化态的存在容易形成高指数晶面,因此很难选择性制备出单一低晶面指数的单晶铜箔。
总体来说,目前制备单晶铜箔的工艺大多只能实现其单一化制备,难以实现多种单晶铜箔的选择性制备,且制备出的单晶铜箔纯度不高,分布不均,设备复杂,操作繁琐,不利于实现资源的充分利用及满足工业化需求。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种简易、选择性制备单晶铜箔的方法,该方法操作简便,可以选择性制备(111)及(110)单晶铜箔,所制备的铜箔结晶性高、表面平整度好。
本发明所采用的技术方案为:
一种简易、选择性制备单晶铜箔的方法,包括以下步骤:
1)清洗铜箔,用混合溶液浸泡铜箔,再用纯净水清洗铜箔,最后将铜箔吹干;
2)进样,将吹干后的铜箔置于高温衬底上,推入管式炉;
3)洗气,将管式炉抽真空并充入惰性气体;
4)表面熔化,在惰性气体与H2的气氛下将铜箔升温至表面熔化温度,保温1-20min;
5)降温至退火温度,保温,保温结束后随炉冷却至室温,即得。
所述步骤4)中表面熔化温度为1060-1080℃;
当制备(111)单晶铜箔时,所述步骤5)中的降温速率为0.2-3℃/min。
当制备(110)单晶铜箔时,所述步骤5)中的降温速率为5-10℃/min。
所述步骤(5)中,所述退火温度为1000-1050℃,保温时间为2-10h。
所述步骤1)中混合溶液为酒精、醋酸、去离子水,具体为体积比为1:1-3:1-3,浸泡时间为1-10min,吹干时用惰性气体吹干。
所述高温衬底为石英片、硅片或氧化铝片。
所述惰性气体为氩气或氮气,所述步骤3中惰性气体的流量为200-1000 sccm。
所述步骤4)中惰性气体与H2的气氛为氮气与H2的混合气体或者氩气与H2的混合气体, 氮气与H2的混合气体中氮气与H2流量比为200-1000 sccm:4-100 sccm,氩气与H2的混合气体中氩气与H2的流量比为200-1000 sccm:4-100 sccm。
与现有技术相比,本发明的有益技术效果是:
1、本发明方法对设备要求低、操作简单、制备周期短,具有工业化应用前景,且制备出的铜箔结晶性高、表面平整度好,故可作为衬底去实现其它二维材料(如石墨烯、h-BN)的高质量生长。此外,本发明方法与现有单晶铜箔的工艺不同之处在于,本发明的方法可以选择性地制备出(111)及(110)单晶铜箔,在一定程度上整合了单晶铜箔的制备工艺,减少了资源浪费,具有很大的工业化运用前景。
2、本发明在退火步骤之前增加了表面熔化的工艺操作,这样使得在熔化温度保温的铜箔,达到了铜表面从固态转化为液态的热力学要求,液态的铜原子具有更高的扩散速度,故更容易制备出单晶铜箔。
3、从表面融化温度至退火温度的降温速率是选择性制备(111)及(110)单晶铜箔的关键,降温速率可以为(111)及(110)单晶铜箔提供不同的动力学条件,密度泛函理论(DFT)计算和分子动力学(MD)模拟研究表明,铜(111)面及铜(110)面的形成能分别为8.0eV/nm2和9.4 eV/nm2,不同的降温速率导致不同的温度梯度,较小的温度梯度更适合铜(111)面的形成,而较大温度梯度则更倾向于铜(110)面,但是过大的温度梯度会导致铜原子来不及重组排列,故会导致了非晶铜箔的形成。
附图说明
图1为实施例2制得的(110)单晶铜箔的光学图像,其对角尺寸为3in。
图2(a)为所用原料原始多晶铜箔的光学图像 ,2(b)为实施例1、3制得(111)单晶铜箔低倍的SEM图像,2(c)为实施例2、4制得(110)单晶铜箔低倍的SEM图像。
图3(a)为所用原料原始多晶铜箔的XRD图像,3(b)为实施例1、3制得(111)单晶铜箔在如图1中所标记三个位置(1,2,3)的XRD图像,图3(c)为实施例2、4制得(110)单晶铜箔在如图1中所标记三个位置(1,2,3)的XRD图像,图3(d)为对照例1非晶铜箔在如图1中所标记三个位置(1,2,3)的XRD图像。
图4(a)为实施例1、3制得(111)单晶铜箔的EBSD图像,4(b)为实施例2、4制得(110)单晶铜箔的EBSD图像。
图5(a)为所用原料原始多晶铜箔的选区电子衍射图像,图5(b)为实施例1、3制得(111)单晶铜箔的选区电子衍射图像,图5(c)实施例2、4制得(110)单晶铜箔的选区电子衍射图像,图5(d)所用原料原始多晶铜箔的HRTEM图像,图5(e)实施例1、3制得(111)单晶铜箔的HRTEM图像,图5(f)为实施例2、4制得(110)单晶铜箔的HRTEM图像。
具体实施方式
下面结合实施例来说明本发明的具体实施方式,但以下实施例只是用来详细说明本发明,并不以任何方式限制本发明的范围。
实施例1:
(1)清洗铜箔,先用体积比为1:1:1的酒精、醋酸、去离子水混合溶液去浸泡对角尺寸为3in的多晶铜箔(厚度为25μm)5min,再用纯净的去离子水去冲洗数2-3次,最后用氮气吹干铜箔;
(2)进样,将吹干后的铜箔置于平整的石英片上,将之缓缓推入管式炉的主温区;
(3)洗气,样品放置妥当,拧紧各个法兰与气阀,打开机械泵,待机械泵运行一段时间后,缓慢打开抽气阀门,待管内真空抽至10 Pa以内时,关闭抽气阀门,打开进气阀门并往石英管中充入氩气(500sccm)直至大气压。重复抽真空-充氩气操作三次,即完成洗气操作;
(4)表面熔化,1.5h内将铜箔在氩气:氢气为500sccm:50sccm的气氛下升温至1065℃,在此温度下保温5min;
(5)然后以1℃/min的降温速率降至1025℃退火温度后再保温4h,保温结束后随炉冷却至室温,即成功制备(111)单晶铜箔。
从图2(a)、2(b)中可看出本发明方法制备的(111)单晶铜箔表面不含有晶界,且表面光滑平整。
从图3(a)、3(b)看出本发明方法成功实现了多晶铜箔向(111)单晶铜箔的均匀转化。
从图4(a)中可以看出本方法所制备出的(111)单晶铜箔表面取向均匀。
图5中(a)和(b)分别为原始多晶铜箔、(111)单晶铜箔的选区电子衍射图像;(d)和(e)分别为二者的HRTEM图像。从图中可知本发明方法所制备出的(111)单晶铜箔具有很好的结晶性。
实施例2
(1)清洗铜箔,先用体积比为1:2:2的酒精、醋酸、去离子水混合溶液去浸泡对角尺寸为3in的多晶铜箔(厚度为25μm)5min,再用纯净的去离子水去冲洗数2-3次,最后用氩气吹干;
(2)进样,将吹干后的铜箔置于平整的硅片上,将之缓缓推入管式炉的主温区;
(3)洗气,样品放置妥当,拧紧各个法兰与气阀,打开机械泵,待机械泵运行一段时间后,缓慢打开抽气阀门,待管内真空抽至10 Pa以内时,关闭抽气阀门,打开进气阀门并往石英管中充入氮气(800sccm)直至大气压。重复抽真空-充氮气操作三次,即完成洗气操作;
(4)表面熔化,1.5h内将铜箔在氮气:氢气为600sccm:70sccm的气氛下升温至1075℃,在此温度下保温10min;
(5)然后以5℃/min的降温速率降至1040℃退火温度后再保温5h,保温结束后随炉冷却至室温,即成功制备(110)单晶铜箔。
图1为(110)单晶铜箔的光学图像,其对角尺寸为3in。
从图2(a)、2(c)中可看出此方法制备的(110)单晶铜箔表面不含有晶界,且表面光滑平整。
图3(c)为(110)单晶铜箔在如图1中所标记三个位置(1,2,3)的XRD图像。从图3(a)、3(c)中可看出方法成功实现了多晶铜箔向(110)单晶铜箔的均匀转化。
图4(b)为(110)单晶铜箔的EBSD图像。从图中可以看出本方法所制备出的(111)单晶铜箔表面取向均匀。
图5中(a)和(c)分别为原始多晶铜箔、(110)单晶铜箔的选区电子衍射图像;(d)和(f)分别为二者的HRTEM图像。从图中可知本方法所制备出的(110)单晶铜箔具有很好的结晶性。
实施例3
(1)清洗铜箔,先用体积比为1:1:3的酒精、醋酸、去离子水混合溶液去浸泡对角尺寸为3in的多晶铜箔(厚度为25μm)10min,再用纯净的去离子水去冲洗数2-3次,最后用氮气吹干;
(2)进样,将吹干后的铜箔置于平整的氧化铝片上,将之缓缓推入管式炉的主温区;
(3)洗气,样品放置妥当,拧紧各个法兰与气阀,打开机械泵,待机械泵运行一段时间后,缓慢打开抽气阀门,待管内真空抽至10 Pa以内时,关闭抽气阀门,打开进气阀门并往石英管中充入氩气(900sccm)直至大气压。重复抽真空-充氩气操作三次,即完成洗气操作;
(4)表面熔化,1.5h内将铜箔在氩气:氢气为750sccm:80sccm的气氛下升温至1060℃,在此温度下保温8min;
(5)然后以3℃/min的降温速率降至1000℃后再保温7h,保温结束后随炉冷却至室温,成功制备(111)单晶铜箔。
结果同实施例1。
实施例4
(1)清洗铜箔,先用体积比为1:3:1的酒精、醋酸、去离子水混合溶液去浸泡对角尺寸为3in的多晶铜箔(厚度为25μm)8min,再用纯净的去离子水去冲洗数2-3次,最后用氩气吹干;
(2)进样,将吹干后的铜箔置于平整的硅片上,将之缓缓推入管式炉的主温区;
(3)洗气,样品放置妥当,拧紧各个法兰与气阀,打开机械泵,待机械泵运行一段时间后,缓慢打开抽气阀门,待管内真空抽至10 Pa以内时,关闭抽气阀门,打开进气阀门并往石英管中充入氮气(600sccm)直至大气压。重复抽真空-充氮气操作三次,即完成洗气操作;
(4)表面熔化,1.5h内将铜箔在氮气:氢气为800sccm:90sccm的气氛下升温至1080℃,在此温度下保温10min;
(5)然后以10℃/min的降温速率降至1050℃退火温度后再保温6h,保温结束后随炉冷却至室温,即成功制备(110)单晶铜箔。
结果同实施例2。
对照例1
与实施例4不同之处在于,步骤(5)中的降温速率为25℃/min,所得到的铜箔为非晶。
图三中(d)为多晶铜箔在如图一种所述三个位置的XRD图像。从图中可看出退火过程中表面熔化温度至退火温度的降温速率过快会导致铜箔从多晶变为非晶。
对照例2
与实施例2不同之处在于,步骤(5)中的降温速率为4℃/min。
所得铜箔为以(111)与(110)为主晶面的多晶铜箔。
对照例3
与实施例1不同之处在于,步骤(5)中的降温速率为0.1℃/min。
所得铜箔为以(111)为主晶面的多晶铜箔。
对照例4
与实施例1不同之处在于,步骤(4)中的表面熔化温度为1040℃。
所得铜箔为多晶铜箔。
对照例5
与实施例1不同之处在于,步骤(4)中的表面熔化温度为1090℃。
所得铜箔为因高温熔化挥发后残留的铜液滴。
对照例6
(1)清洗铜箔,先用体积比为1:1:1的酒精、醋酸、去离子水混合溶液去浸泡对角尺寸为3in的多晶铜箔(厚度为25μm)5min,再用纯净的去离子水去冲洗数2-3次,最后用氮气吹干铜箔;
(2)进样,将吹干后的铜箔置于平整的石英片上,将之缓缓推入管式炉的主温区;
(3)洗气,样品放置妥当,拧紧各个法兰与气阀,打开机械泵,待机械泵运行一段时间后,缓慢打开抽气阀门,待管内真空抽至10 Pa以内时,关闭抽气阀门,打开进气阀门并往石英管中充入氩气(500sccm)直至大气压。重复抽真空-充氩气操作三次,即完成洗气操作;
(4)1.5h内将铜箔在氩气:氢气为500sccm:50sccm的气氛下升温至1025℃退火温度,在此温度下保温4h,保温结束后随炉冷却至室温。
所得铜箔为多晶铜箔。
最后说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换,只要不脱离本发明技术方案的精神和范围,均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种简易、选择性制备单晶铜箔的方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)清洗铜箔,用混合溶液浸泡铜箔,再用纯净水清洗铜箔,最后将铜箔吹干;
2)进样,将吹干后的铜箔置于高温衬底上,推入管式炉;
3)洗气,将管式炉抽真空并充入惰性气体;
4)表面熔化,在惰性气体与H2的气氛下将铜箔升温至表面熔化温度,保温1-20min;
5)降温至退火温度,保温,保温结束后随炉冷却至室温,即得。
2.根据权利要求1所述的简易、选择性制备单晶铜箔的方法,其特征在于:所述步骤4)中表面熔化温度为1060-1080℃。
3.根据权利要求1所述的简易、选择性制备单晶铜箔的方法,其特征在于:当制备(111)单晶铜箔时,所述步骤5)中的降温速率为0.2-3℃/min。
4.根据权利要求1所述的简易、选择性制备单晶铜箔的方法,其特征在于:当制备(110)单晶铜箔时,所述步骤5)中的降温速率为5-10℃/min。
5.根据权利要求1所述的简易、选择性制备单晶铜箔的方法,其特征在于:所述步骤(5)中,所述退火温度为1000-1050℃,保温时间为2-10h。
6.根据权利要求1所述的简易、选择性制备单晶铜箔的方法,其特征在于:所述步骤1)中混合溶液为酒精、醋酸、去离子水,具体为体积比为1:1-3:1-3,浸泡时间为1-10min,吹干时用惰性气体吹干。
7.根据权利要求1所述的简易、选择性制备单晶铜箔的方法,其特征在于:所述高温衬底为石英片、硅片或氧化铝片。
8.根据权利要求1所述的简易、选择性制备单晶铜箔的方法,其特征在于:所述惰性气体为氩气或氮气,所述步骤3中惰性气体的流量为200-1000 sccm。
9.根据权利要求1所述的简易、选择性制备单晶铜箔的方法,其特征在于:所述步骤4)中惰性气体与H2的气氛为氮气与H2的混合气体或者氩气与H2的混合气体, 氮气与H2的混合气体中氮气与H2流量比为200-1000sccm:4-100 sccm,氩气与H2的混合气体中氩气与H2的流量比为200-1000 sccm:4-100 sccm。
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GR01 | Patent grant | ||
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