[发明专利]一种基于单晶铜的垂直异质外延单晶金属薄膜的方法

说明书

本发明提供了一种基于单晶铜的垂直异质外延单晶金属薄膜的方法。所述方法为用单晶铜为外延基底，在其上外延生长金属，获得单晶金属薄膜。所述金属包括但不限于金、银、铜、铂、钯、钨、铁、铬、钴、镍。本发明提出的方法，解决了单晶金属薄膜制备方法复杂、尺寸小、难剥离、价格极为昂贵的问题，通过非常简单的方法，实现了大尺寸的单晶金属薄膜的制备。

技术领域

本发明涉及一种基于单晶铜的垂直异质外延单晶金属薄膜的方法。

背景技术

金属在人类历史发展过程中一直占据着非常重要的位置，继石器时代之后出现的铜器时代、铁器时代，均以金属材料的应用为其时代的显著标志。在当代，种类繁多的金属被广泛地应用于电气、轻工、机械制造、建筑工业、国防工业等领域，极大地推动着社会的进步。

随着微电子工业的迅速发展，金属薄膜的制备得到广泛研究并已经日益成熟化。然而，目前金属薄膜的制备方法主要为沉积法或溅射法，所得到的金属薄膜主要为多晶薄膜，而晶界的存在，会极大地降低金属薄膜的性质，如电学性能、热学性能、机械性能、防腐蚀性能等。虽然可以通过在单晶衬底上外延得到单晶金属薄膜，但是由于单晶衬底价格高、尺寸小，单晶金属薄膜难剥离等原因，使得单晶金属薄膜的制备不能大规模制备，因此其应用受到限制。

单晶铜是非常好的衬底材料，在表面科学、薄膜制备方面发挥着越来越重要的作用。特别是近年成功在铜箔上实现单层连续石墨烯薄膜的生长，使得单晶铜成为外延生长单晶石墨烯的理想衬底。在中国申请专利CN201710020397.4中，发明人对商用多晶铜箔退火得到大面积各种晶面取向的铜单晶。这种单晶铜的成本低，尺寸大，作为单晶衬底具有广阔的商用前景。

因此，利用单晶铜作为衬底外延单晶金属材料，可能提供一种简单、实惠的方法制备单晶金属材料。

发明内容

本发明首次提出一种基于单晶铜的垂直异质外延单晶金属薄膜的方法，其特征在于，用单晶铜为外延基底，在其上外延生长金属，获得单晶金属薄膜。所述金属包括但不限于金、银、铜、铂、钯、钨、铁、铬、钴、镍。

一种基于单晶铜的垂直异质外延单晶金属薄膜，所述单晶金属薄膜是由上述的方法所制备，所述单晶金属薄膜的厚度为5nm-10μm，尺寸为0.1-50m。所谓尺寸是指，如果单晶金属薄膜为圆形，则尺寸为0.1-50m指其直径为0.1-50m；如果单晶金属薄膜为长条形，则尺寸为0.1-50m指其长度为0.1-50m。

优选的是，在上述方法中，单晶铜的晶面指数是(100)、(110)、(111)或晶面指数中任意一个数大于1的高晶面指数；优选的是，高晶面指数为(211)、(311)或(410)。

优选的是，在上述方法中，所述方法包括如下步骤：

S1，用化学气相沉积系统对多晶铜箔进行退火，转化为单晶铜箔；

S2，将得到的单晶铜箔作为基底，在其上外延生长金属，获得单晶金属薄膜，即得到单晶金属薄膜/单晶铜箔的复合结构。

优选的是，在上述方法中，步骤S1包括如下步骤：

S11，将所述多晶铜箔一端形成为尖端平置于耐高温衬底上，放入化学气相沉积设备中，通入惰性气体，惰性气体流量为300～500sccm，然后开始升温，升温过程持续50～70min，所述的惰性气体为N₂或Ar；

S12，温度升至800～1100℃时，多晶铜箔从尖端开始逐渐通过化学气相沉积设备，多晶铜箔连续通过加热区域的速度为0.01～10cm/min，开始退火过程，退火时间大于1min；

S13，退火结束后，冷却至室温，即得到大尺寸单晶铜箔。

优选的是，在上述方法中，步骤S2中外延的方法为蒸镀，蒸镀速率为蒸镀时间为100-5000s。