科研进展丨织构调控实现单晶金属箔生长
松山湖材料实验室理事长王恩哥院士、轻元素先进材料与器件团队吴慕鸿研究员、付莹研究员级高工、北京大学张志斌特聘副研究员等合作者在大尺寸单晶金属箔材可控制备领域取得关键进展。
研究团队发明了一种大尺寸单晶金属箔通用制备技术，通过建立应变-变形储能-织构-单晶对应关系，揭示了金属箔单晶生长的内在机制。团队发现充分的变形储能是形成均一立方再结晶织构的关键，近100%的立方织构可引导金属箔稳定转变为单晶。该技术策略适用于铸造、轧制及电解等多种原料体系，可制备低/高晶面指数单晶铜箔与镍箔。该研究不仅为单晶金属的制造提供了全新的研究范式，更为单晶金属箔的工业应用奠定了关键材料基础。2025年8月28日，相关研究成果以“织构调控引导大尺寸单晶金属箔生长”（Texture-controlled growth of large-scale single-crystal metal foils）为题，发表于《国家科学评论》（National Science Review）。
单晶金属箔因其完美的晶体结构和优异的综合性能，被认为是解决电子散射、热失效和界面退化等关键问题的重要材料，近年来备受关注。已有研究通过热梯度控制、籽晶诱导和无接触退火等方法实现了单晶金属箔的制备，这些方法主要依靠能量工程（表面能、界面能和应变能的调控）促进商业金属箔中晶粒的异常形核与生长。然而，商业金属箔原料普遍存在织构类型波动的问题，这种结构异质性严重制约了单晶金属箔的规模化生产。
针对上述难题，研究团队基于面心立方（FCC）金属的结构特性，提出了一套单晶制备的通用调控框架，即“应变-变形储能-织构”协同调控策略。在冷轧过程中，通过在铜箔中引入高位错密度和充足的变形储能，实现了均一、完全的{100}立方织构的调控。随后在高温单晶化退火阶段，能量驱动机制（表面能或界面能）促进异常晶粒生长，从而获得大尺寸单晶。统计分析进一步表明，完全{100}立方织构是金属箔稳定转变为单晶的核心前提。依托这一通用调控框架，轧制、铸造、电解等多种原料体系均已验证可行性，可实现单晶Cu（111）箔、单晶Ni（111）箔以及多种高指数晶面单晶铜、镍箔的规模化制备。研究团队所制备的单晶金属箔在宽光谱范围内具有较低的光学损耗和更高的反射率，表现出优异的光学性能，有望推动高性能量子集成电路以及构建低损耗高频通信器件等应用领域的发展。
图1 a. 单晶金属箔的织构调控制备策略。b. 单晶铜箔制备的通用调控框架，具体包括冷轧过程中几何必要位错密度（𝜌）随真应变（ε）的变化以及再结晶退火后对应的立方织构面积分数（𝑓c）的变化。c. 所制备单晶Cu（111）箔的实物图（33×20 cm2）。d. 区域III中冷轧铜箔在再结晶和单晶退火过程中的原位组织演变。e. 所制备的单晶铜箔的XRD图（2𝜃，银靶）。f1-f4. 所制备的单晶Ni（111）箔的实物图（6×5 cm2）、EBSD图和XRD图（2𝜃，银靶）以及高指数晶面单晶镍箔的EBSD图和XRD图（2𝜃，银靶）。
松山湖材料实验室博士后王玉、北京大学特聘副研究员张志斌和松山湖材料实验室联合培养硕士生贾沂霖、丁敏为共同第一作者。松山湖材料实验室理事长王恩哥院士、吴慕鸿研究员、付莹研究员级高工为论文共同通讯作者，松山湖材料实验室为文章的第一通讯单位。
研究工作得到了广东省基础与应用基础研究重大项目、国家自然科学基金、国家重点研发计划等相关项目及松山湖材料实验室、中科晶益（东莞）材料科技有限公司、北京大学纳光电子前沿科学中心、量子物质科学协同创新中心、南京大学固体微结构物理国家重点实验室、北京航空航天大学国际前沿交叉科学院等的大力支持。