本研究所開發的氧氣促進退火法成功實現了大面積單晶金箔的高效制備，并通過多尺度表征手段系統揭示了其晶體演化機制與結構特性。圖1綜合表征結果表明，制備所得金箔具有優異的單晶特性與表面質量。XRD圖譜中僅出現（111）與（222）晶面的衍射峰，且φ掃描顯示三重對稱性，證實其為[111]取向的單晶結構。選區電子衍射圖譜中衍射斑點明銳且無雜斑，高分辨透射電鏡圖像顯示完整的晶格排列，均表明樣品具有良好的結晶性與無缺陷特征。電子背散射衍射的極圖與核平均取向差分析進一步確認了樣品在毫米尺度內具有一致的晶體取向，局部取向偏差小于1°，符合單晶材料的結構特征。原子力顯微鏡圖像中呈現典型的60°夾角原子臺階，這與Au(111)面的表面重構特征高度吻合。
圖1. 單晶Au(111)箔材的制備流程與結構表征
通過原位與非原位實驗相結合的方式，系統研究了金箔在退火過程中的晶粒演化行為。初始多晶金箔以（100）織構為主，經過5分鐘退火后轉變為立方織構的（100）晶粒，其周圍形成低角度晶界，為異常晶粒生長提供結構基礎。延長退火時間至7分鐘時，在冷軋引入的殘余應力集中區域優先形成毫米尺度的帶狀（111）異常晶粒。這些晶粒沿軋制方向排列，表明殘余應力分布對異常晶粒的形核與生長具有顯著的促進作用。通過預退火釋放應力的對比實驗進一步驗證了殘余應力的關鍵作用：應力完全釋放的樣品中（111）晶粒僅在邊緣形核，而保留殘余應力的樣品則在整個區域內實現快速異常晶粒生長。
圖2. 退火過程中Au箔的形貌與取向演化
基于上述演化機制，研究團隊成功在10分鐘內制備出面積達100 cm2的單晶金箔，創下了目前報道中的最大尺寸與最高制備效率。通過在不同區域進行的電子背散射衍射分析顯示，所有檢測點均呈現均勻的（111）取向，核平均取向差均小于1°，且（001）極圖顯示一致的晶體學取向，充分證明了該金箔在宏觀尺度上的單晶特性。與傳統方法相比，本方法在制備效率與樣品尺寸方面均展現出顯著優勢，為單晶金屬箔材的規模化制備提供了可靠路徑。
圖3. 通過多重異常晶粒生長實現大面積單晶Au(111)箔材的超快制備
氧氣在促進異常晶粒生長過程中發揮著關鍵作用。在氫氣氣氛中退火的金箔仍保持（100）多晶結構，熱溝槽深度顯著大于在空氣或氧氣中退火的樣品。相場模擬結果表明，表面遷移率的降低導致熱溝槽深度減小，從而顯著降低了晶界遷移的能壘。當兩個晶粒之間存在能量差時，附著于淺溝槽的晶界移動速度更快，這一發現與實驗觀察高度一致。XPS分析證實氧氣僅通過物理吸附存在于金表面，而未形成金屬氧化物。研究者認為，微量雜質氧化物可能通過阻塞空位擴散通道，有效降低了表面自擴散系數，從而抑制熱溝槽的形成。
圖4. 氧氣促進異常Au(111)晶粒生長的機理研究
該方法展現出良好的普適性與可擴展性。以制備的10 μm厚單晶金箔為外延模板，通過多層堆疊退火成功制備出80 μm厚的塊體單晶金箔，垂直方向的單晶擴展速率可達2-3 μm/min。同時，該方法也適用于鉑箔的單晶化制備，18 μm厚的商業多晶鉑箔在1550°C空氣中退火240分鐘后成功轉變為（111）取向的單晶結構，其XRD與電子背散射衍射表征結果均證實了高質量的晶體特性。這一系列成果表明，氧氣促進退火法為貴金屬單晶箔材的可控制備提供了高效且通用的技術方案。
總之，本研究通過開發一種氧氣促進退火策略，成功實現了在10分鐘內將約100 cm2的多晶金箔轉化為（111）取向單晶金箔的高效制備；其核心機制在于氧氣氛有效抑制了表面熱溝槽的形成，通過降低晶界遷移阻力顯著促進了異常晶粒生長，該過程通過高溫原位XRD揭示了晶面指數的動態演化路徑。基于此方法所制備的單晶金箔兼具宏觀尺度取向一致性與原子級平整表面，并可作為外延模板進一步制備80 μm厚度的塊體單晶金箔，同時該方法在鉑箔體系中的成功應用驗證了其在不同貴金屬單晶化制備中的普適性。這一突破性進展不僅為單晶 Noble metal 箔材的規模化制備提供了全新范式，更有望推動其在高端微電子器件、二維材料外延襯底及高效催化體系中的實際應用，未來可探索該策略在多元合金單晶制備及其異質結構調控中的延伸潛力。 文獻信息：Ultrafast Preparation of 10‐μm‐Thick Large‐Area Single‐Crystal Au (111) Foils. Huixuan Wang;Weiye Hao;Chen Chen;Chengjian He;Yun Chen;Chuan Xu;Wencai Ren. ISSN: 0935-9648 , 1521-4095; DOI: 10.1002/adma.202515581. Advanced materials , 2025
