研究进展
刘忠范院士团队Nature Commun.：表面能补偿法制造具有原子级平整度的单晶合金薄膜
日期：
2026-01-29 17:31
单晶合金薄膜兼具高度有序的晶格结构和可调控的成分依赖物性，在晶体外延、表面催化以及能源转化等领域具有重要应用前景。然而，其实际应用长期受限于三个核心挑战：晶圆级单晶性、原子级表面平整度以及宽范围、均匀可控的合金成分调节。
近期，北京大学/北京石墨烯研究院刘忠范院士、贾开诚研究员等以“Surface-energy-compensated fabrication of singlecrystal alloy films with atomic-scale flatness”为题，于Nature Communications 上发表研究文章。提出了一种表面能补偿（Surface-Energy-Compensated, SEC）技术，用于制备具有原子级平整度的单晶合金薄膜（Single-Crystal Alloy Thin Films, SATFs）。
主要内容
本文通过表面能补偿技术，成功解决了合金薄膜在高温退火过程中的固态去湿问题，实现了晶圆级二元和三元单晶合金薄膜的可控制备。研究团队首先通过磁控溅射在Cu(111)/蓝宝石衬底上沉积Ni、Pt、Pd等金属层，探究了合金薄膜退火过程中的去浸润行为。在此基础上，通过根据金属层的表面能大小调整沉积次序，有效抑制了固态去湿现象，从而获得了表面原子级平整，合金元素分布均匀的一系列铜基合金单晶薄膜。实验结果表明，采用SEC技术制备的4英寸CuNi(111)、CuPt(111)和CuPd(111)单晶薄膜表面粗糙度均低于0.5纳米，其中CuPtNi(111)三元合金单晶薄膜更加平整，表面粗糙度最低仅为0.173纳米。此外，以CuPtNi(111)为衬底，通过化学气相沉积（CVD）方法可以在较低温度（850℃）实现高质量、无褶皱石墨烯单晶晶圆的可控生长。该方法制备的石墨烯展现出优异的电学性能，包括高载流子迁移率和均匀的面电阻，在新一代电子与光电子器件研发具有潜在应用价值。
创新点
1、提出了一种表面能补偿（SEC）技术，通过根据金属层的表面能大小调整沉积顺序，有效抑制了合金薄膜在高温退火过程中的固态去湿现象，实现了超平整单晶合金薄膜的可控制备。
2、实现了一系列4英寸尺寸二元和三元单晶合金薄膜的制备，表面粗糙度低于0.2纳米，元素组成均匀可控（5~50at%）。
3、以CuPtNi(111)三元合金为衬底，成功实现了在850°C下高质量、无褶皱石墨烯单晶晶圆的可控生长，展现出优异的电学性能。
图文导读
图1 | 合金薄膜退火阶段的固态去湿行为。
图2 | 通过表面能补偿(SEC)策略制备超平整单晶合金薄膜(SATFs)。
图3 | 晶圆级单晶合金薄膜(SATFs)的表面形貌与均匀性。
图4 | 超平整CuPtNi(111)衬底上无褶皱石墨烯单晶晶圆的化学气相沉积生长。
图5 | 无褶皱石墨烯单晶的电学性质。
结论
本文通过表面能补偿技术，成功解决了合金薄膜在高温退火过程中的固态去湿问题，实现了晶圆级二元和三元单晶合金薄膜的制备。制备的单晶合金薄膜具有原子级平整的表面和均匀的元素分布，为高质量二维材料的外延生长提供了理想的衬底。以CuPtNi(111)为衬底生长的无褶皱石墨烯单晶展现出优异的电学性能。未来，该技术有望进一步拓展到其他合金体系和二维材料的外延生长中，为相关领域的研究和应用提供重要的材料基础。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-68196-0
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