CN112442729B - 一种制备大面积单晶铜箔的方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种制备大面积单晶铜箔的方法。本申请提供的方法包括：‑提供多晶铜箔；‑提供材质为石墨或六方氮化硼的载具；‑将所述多晶铜箔置于所述载具上；‑对所述载具上的所述多晶铜箔在一定温度梯度下进行退火，得到所述单晶铜箔。由于石墨和六方氮化硼等载具具有优良的润滑性，高温下铜和石墨或六方氮化硼的相互作用较弱，采用这种材质的载具可以大大减小退火过程中载具与其上方铜箔之间的相互作用，减小高温下载具对铜箔产生的外应力，因此不仅保证了良好的单晶化效果，而且可以维持铜箔本身形貌的规则平整。

Description

一种制备大面积单晶铜箔的方法

技术领域

本发明属于材料领域，涉及一种大面积单晶铜箔的制备方法。

背景技术

单晶金属具有重要的应用前景，比如：单晶铜导线减小了铜晶界对电流传输的散射，从而提高了线路的导电性能；单晶铜箔可以作为生长二维材料的理想衬底，获得更高品质的二维材料。

将多晶铜箔(例如铜箔)转变为单晶铜箔需要进行高温退火处理，一种参考方法是采用无接触退火(CFA)策略，在尽可能减少与多晶铜箔(例如铜箔)接触的情况下进行高温退火处理(Jin,S.et al.Colossal grain growth yields single-crystal metal foilsby contact-free annealing.Science.362,1021–1025(2018).)。在这种退火条件下，表面能降低起主要作用从而形成111表面。而在实际应用中，按照该方法所挂立的铜箔在高温下一旦晃动(批量化生产时需要传送过程，不可避免)，容易黏连，从而影响其效果。同时，这种完全无应力的退火方法所得到的多为111表面。而实际情况中，经常需要多种晶面的铜箔，比如在催化、二维材料生长等领域中，非111面甚至高指数晶面在催化活性和外延取向控制方面都有其不可替代的优势。

因此，发展一种具有适当应力的衬底退火方法，实现批量化单晶箔材的制备，同时实现非111面箔材的制备十分重要。

发明内容

本发明提供一种制备大面积单晶铜箔的方法，该方法能够实现批量化单晶箔材的制备，同时实现非111面箔材的制备。

本申请提供的一种制备大面积单晶铜箔的方法包括：

-提供多晶铜箔；

-提供材质为石墨或六方氮化硼的载具；

-将所述多晶铜箔置于所述载具上；

-对所述载具上的所述多晶铜箔在一定温度梯度下进行退火，得到所述单晶铜箔。

在一种实施方式中，所述载具选自截面为矩形的载具，截面为波浪形的载具，截面为阶梯形的载具等。

在一种实施方式中，对所述载具上的所述多晶铜箔进行退火的温度范围为800℃-1080℃。

在一种实施方式中，在退火炉中对所述载具上的所述多晶铜箔进行退火，所述退火炉内的温度具有温度梯度，所述温度梯度的梯度范围为0.2-50℃/cm，优选为0.5-15℃/cm。

在一种实施方式中，所述铜箔所在区域的温度为800℃-1080℃，且至少有一定区域的温度大于或等于900℃，优选大于或等于980℃。

在一种实施方式中，对所述载具上的所述多晶铜箔进行退火的气体氛围为氢气、氩气、氦气、氩氧混气中的一种或多种。

在一种实施方式中，对所述载具上的所述多晶铜箔进行退火的时间为至少5分钟。

本申请制备铜箔单晶的方法用于其他金属箔材的单晶化，其中，所述其他金属箔材除铜箔外，还可包括镍箔、铂箔、铜镍合金、镍箔合金等箔材。

本发明的优点在于：

第一，由于石墨或六方氮化硼等材质的载具具有优良的润滑性，高温下铜与载具的相互作用较弱，采用这种材质的载具可以大大减小退火过程中载具与其上方铜箔之间的相互作用，减小高温下载具对铜箔产生的外应力，因此不仅保证了良好的单晶化效果，而且可以维持铜箔本身形貌的规则平整；

第二，通过对退火炉进行不同的设计或设置，在炉腔内构建出一定范围的温度梯度；进一步地，利用石墨和六方氮化硼等材质的载具优良的导热性质，在炉腔温度的基础上于载具覆盖空间内实现更为均匀的温度梯度，从而获得更有利的单晶化条件，单晶化效果优异；

第三，通过对石墨载具结构的特殊设计，可以调控载具上铜箔的应力，特别是，使用表面呈非平面结构的载具例如表面呈波浪形的载具，或者表面呈阶梯型的载具作为载具，在合适应力的条件下，可以实现更多指数面的单晶铜箔的制备，甚至可以制备高指数晶面的单晶铜箔。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施方式，本发明的上述和其它特征及优点将更加明显。

图1是根据对比例1示出的退火后铜箔的表征结果，a为实物光学图片，b和c为EBSD(电子背散射衍射)表征结果。

图2a-2c是根据实施例1示出的退火后铜箔的表征结果，其中图2a为实物光学图片，图2b为EBSD表征结果，图2c图为XRD(X射线衍射)表征结果。

图3a-3d是根据实施例2示出的波浪型载具上退火得到的单晶化铜箔表征结果，其中图3a示出波浪形板的俯视图和左视图，以及铜箔在波浪形板上的不同b、c和d位置放置的示意图，图3b、图3c和图3d分别为在图3a的不同b、c和d位置取样的单晶铜箔的EBSD分析图样。

图4a-4c是根据实施例3示出的连续凹槽型载具上退火得到的单晶化铜箔表征结果，其中图4a示出阶梯型石墨板的俯视图和左视图以及铜箔在阶梯形板上放置的示意图，图4b和4c为取样所得单晶铜的EBSD分析图样。

具体实施方式

下面根据具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。本发明的保护范围不限于以下实施例，列举这些实例仅出于示例性目的而不以任何方式限制本发明。

本申请提供一种制备大面积单晶铜箔的方法，包括：

-提供多晶铜箔；

-提供材质为石墨或六方氮化硼的载具；

-将所述多晶铜箔置于所述载具上；

-对所述载具上的所述多晶铜箔在一定温度梯度下进行退火，得到所述单晶铜箔。

如本申请所证实的，使用石墨或六方氮化硼载具能够得到更为平整的单晶铜箔，具有良好的单晶化效果，这是因为采用石墨或六方氮化硼材质的载具，在高温下铜和石墨或六方氮化硼的相互作用较弱，对铜箔的外应力较小，可以大大减小高温下载具对铜箔产生的外应力，有利于良好的单晶化效果的产生，从而保证良好的单晶化效果，同时还可以维持铜箔本身形貌的规则平整。

而且，本发明的发明人还通过对载具结构进行设计，可以调控载具上铜箔的应力，在合适应力的条件下，可以实现更多指数面的单晶铜箔的制备。所述载具选自截面为矩形的载具，截面为波浪形的载具，截面为阶梯形的载具等。使用截面为矩形的载具时，可以得到111晶面的大面积单晶铜箔；使用截面为波浪形的载具，截面为阶梯形的载具等时，能够制备得到更多指数面的单晶铜箔。

在一种实施方式中，本发明制备大面积铜箔单晶的方法具体可以包括如下步骤：

步骤一、将铜箔置于载具上。

步骤二、将放置有铜箔的载具置于具有一定温度梯度的温度场中进行高温退火；

步骤三、将退火炉冷却至室温，得到铜箔单晶。

在一种实施方式中，对所述载具上的所述多晶铜箔进行退火的温度范围为800℃-1080℃。在退火过程中，可以如下设置载具所处的温度环境：所述石墨载具处于具有一定温度梯度的温度场中；所述温度梯度的数值范围在0.2-50℃/cm之间，优选的温度梯度范围在0.5-15℃/cm之间。

通常，可以在退火炉中对所述载具上的所述多晶铜箔进行退火，所述退火炉内的温度具有温度梯度，所述温度梯度的梯度范围为0.2-50℃/cm，优选为0.5-15℃/cm。在一种实施方式中，所述铜箔所在区域的温度为800℃-1080℃，且至少有一定区域的温度大于或等于900℃，优选大于或等于980℃。具体地，所述温度梯度的设置方式可以为：在退火炉内设置具有不同温度的温区。作为本发明一个实施方式，所述退火炉具有三个温区，所述三个温区的温度可以分别设置为1030℃，1000℃，970℃。

在退火炉内实现温度梯度的方法可为以下方法中的一种或多种：a)将退火炉分为多个温区，不同温区采用不同的加热功率，即可以导致不同的温度，b)用于加热的热电丝缠绕间隙变化导致加热密度不同，c)将载具放置在加热和不加热的交界处。

在本申请的一种实施方式中，对所述载具上的所述多晶铜箔进行退火的气体氛围为氢气、氩气、氦气、氩氧混合气中的一种或多种。当使用氩氧混合气(其氧气的含量极低，体积分数千分之二以下)作为退火气体氛围时，可以氧化除去铜箔表面可能存在的有机杂质，铜箔表面因此造成的微弱氧化可以通过后续一段时间的氢气气氛退火而得以还原。

在一种实施方式中，对所述载具上的所述多晶铜箔进行退火的时间为至少5分钟，例如5分钟至5小时，例如5分钟-2小时，例如5分钟至1小时。

本申请制备铜箔单晶的方法还可以用于其他金属箔材的单晶化，其中，所述其他金属箔材除铜箔外，还可包括镍箔、铂箔、铜镍合金、镍箔合金等箔材。

对比例1

在本对比例中，使用的载具为矩形石英板，退火装置的结构主要包括板身、支柱和凹槽等部分，其中板身是载具实际承载铜箔的部分，支柱和凹槽主要起到层间支撑和限位的作用。在载具叠放的过程中，除第一层外，每层矩形石英板的支柱与上层的凹槽紧密贴合，在限制水平方向层间位移的同时，创造出合适退火的层间间距，形成具有整体性结构的载具批，从而在单次的退火过程中实现批量化制备。

在本实施例中，使用的退火炉为三温区退火炉，每个温区的长度是15cm，三个温区的温度设置依次为：1030℃，1000℃，970℃。

具体的步骤为：

(1)将单片工业铜箔裁成30cm长，放置于石英板载具上，然后将整个装置置于退火炉中，使得该铜箔横跨退火炉的三个温区；

(2)开启机械泵将退火炉抽真空，压强稳定后通入500sccm氢气；

(3)将退火炉的不同温区升至设定温度：1030℃，1000℃，970℃；

(4)将铜箔在设定温度下退火30min；

(5)将退火炉温度降低至室温后，关掉气体，连通大气，得到具有较大单晶畴区的铜箔。

使用该方法得到的铜箔的实物光学图片及EBSD表征结果见图1a-图1c，图1a为实物光学图片，图1b和1c为EBSD(电子背散射衍射)表征结果。从图1a可以看出，由于石英与铜的相互作用较强，在加热及降温的过程中，应力失配导致了表面起皱，图1b和图1c的EBSD表征结果可以反映出其多为碎晶，各种晶面均有，晶粒大小为几微米到几百微米不等。

实施例1

在本实施例中，使用的载具具有矩形石墨板，与对比例1中使用的矩形石英板类似。退火装置的结构主要包括板身、支柱和凹槽等部分，其中板身是载具实际承载铜箔的部分，支柱和凹槽主要起到层间支撑和限位的作用。在载具叠放的过程中，除第一层外，每层矩形石英板的支柱与上层的凹槽紧密贴合，在限制水平方向层间位移的同时，创造出合适退火的层间间距，形成具有整体性结构的载具批，从而在单次的退火过程中实现批量化制备。

在本实施例中，退火的条件及步骤与对比例1一致，使用的退火炉为三温区退火炉，每个温区的长度是15cm，三个温区的温度设置依次为：1030℃，1000℃，970℃。

具体的步骤为：

(1)将单片工业铜箔裁成30cm长，放置于石墨载具上，然后将整个退火装置置于退火炉中，使得该铜箔横跨退火炉的三个温区；

(2)开启机械泵将退火炉抽真空，压强稳定后通入500sccm氢气；

(3)将退火炉的不同温区升至设定温度：1030℃，1000℃，970℃；

(4)将铜箔在设定温度下退火30min；

(5)将退火炉温度降低至室温后，关掉气体，连通大气，得到大面积的单晶铜箔。

使用该方法得到的铜箔的实物光学图片、EBSD表征和XRD表征结果见图2a-图2c，其中图2a为实物光学图片，图2b为EBSD表征结果，图2c图为XRD(X射线衍射)表征结果。与对比例1中所使用的在矩形石英板载具上退火得到的单晶铜箔表征结果相对比，本实施例得到的单晶铜箔明显更为平整，单晶化覆盖程度也明显更高，晶粒为厘米级大小，所得到的单晶化铜箔多为111晶面。

实施例2

在本实施例中，所使用的载具为波浪形石墨板，所述波浪型石墨板的长度是330mm，波浪形中每个波浪的直径是20mm，厚度是5mm，其形状如图3a所示。退火装置的结构与实施例1相同。

所用的退火条件及工艺步骤与实施例1一致。

该实施例所得到的单晶化的铜箔，晶面具有多样性，所得到的结果如图3a-图3d所示，其中图3a示出波浪形板的俯视图和左视图，以及铜箔在波浪形板上的不同b、c和d位置放置的示意图，图3b、图3c和图3d分别为在图3a的不同b、c和d位置取样的单晶铜箔的EBSD分析图样。可以看出，单晶化覆盖程度高，晶粒大小为分米级，而且在凹凸不同曲率的情况下，其表现出的晶面是不同的，图3b表现出104晶面，图3c表现出434晶面，图3d表现出839晶面。

实施例3

在本实施例中，所使用的载具为阶梯型石墨板，所述阶梯型石墨板的长度是304.5mm，宽度是75.5mm，厚度是3mm，阶梯间距为5mm，其形状如图4a所示。退火装置的结构与实施例1相同。

所用的退火条件及工艺步骤与实施例1一致。

该实施例所得到的单晶化的铜箔，在台阶处的晶面由于应力的作用容易出现突变，从而形成高指数晶面，所得到的结果如图4a-4c所示，其中图4a示出阶梯型石墨板的俯视图和左视图以及铜箔在阶梯形板上放置的示意图，图4b和4c为取样所得单晶铜的EBSD分析图样。可以看出，在阶梯型载具的应力条件下，也形成了多种晶面，如879晶面和437晶面。

本领域技术人员应当注意的是，本发明所描述的实施方式仅仅是示范性的，可在本发明的范围内作出各种其他替换、改变和改进。因而，本发明不限于上述实施方式，而仅由权利要求限定。

Claims (6)

1.一种制备大面积单晶铜箔的方法，包括：

提供多晶铜箔；

提供材质为石墨或六方氮化硼的载具；

将所述多晶铜箔置于所述载具上；

对所述载具上的所述多晶铜箔在一定温度梯度下进行退火，得到所述单晶铜箔；

其中，所述载具选自截面为波浪形的载具或截面为阶梯形的载具，在退火炉中对所述载具上的所述多晶铜箔进行退火，退火的温度范围为800℃-1080℃，所述退火炉内的温度具有温度梯度，所述温度梯度的梯度范围为0.2-50℃/cm。

2.根据权利要求1所述的制备大面积单晶铜箔的方法，其特征在于，所述温度梯度的梯度范围为0.5-15℃/cm。

3.根据权利要求1所述的制备大面积单晶铜箔的方法，其中，所述铜箔所在区域的温度为800℃-1080℃，且至少有一定区域的温度大于或等于900℃。

4.根据权利要求3所述的制备大面积单晶铜箔的方法，其中，至少有一定区域的温度大于或等于980℃。

5.根据权利要求1所述的制备大面积单晶铜箔的方法，其中，对所述载具上的所述多晶铜箔进行退火的气体氛围为氢气、氩气、氦气、氩氧混合气中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的制备大面积单晶铜箔 的方法，其中，对所述载具上的所述多晶铜箔进行退火的时间为至少5分钟。

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