在国家自然科学基金项目（批准号：51991340、51991342、51522201）的资助下，北京大学刘开辉研究员、王恩哥院士、南方科技大学俞大鹏院士等合作，首次研发出30余种高指数晶面、A4纸尺寸单晶铜箔库的全新制造方法。研究成果以“大尺寸高指数晶面单晶铜箔的制备（Seeded growth of large single-crystal copper foils with high-index facets）”为题，于2020年5月27号发表在《自然》（Nature）杂志上。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2298-5。
单晶铜箔因其无晶界、缺陷少等特性而具有更好的导电性和柔韧性，是发展下一代高性能电力设备、电子器件的关键材料之一。同时，随着石墨烯及相关二维材料制备技术的发展，发现铜是外延制备多种二维单晶材料（如石墨烯、氮化硼等）的关键衬底。
2016年以来，刘开辉研究员与合作者利用单晶Cu(111)实现了米级石墨烯单晶材料的超快外延制备（Nature Chemistry 2019, 11, 730；Science Bulletin 2017, 62, 1074；Nature Nanotechnology 2016, 11, 930），利用近邻Cu(110)单晶实现了分米级二维六方氮化硼单晶的外延制备（Nature 2019, 570, 91）。上述研究成果用到的都是铜的低指数晶面，即晶面指数的每一个参量都不大于1。相比于低指数晶面，高指数晶面的单晶铜箔具有更加丰富的表面结构，可极大地拓宽外延制备二维材料的体系和种类。但是，在热力学及动力学上，高指数晶面的生长均不占优势，这直接阻碍了高指数晶面单晶铜箔的规模化制造。因此，开发大尺寸、高指数晶面单晶铜箔的宏量制造技术在材料科学和工程应用领域具有重要的科学意义和技术价值。
针对这一难题，研究团队将攻关目标锁定在铜箔高温退火再结晶过程中的热力学和动力学调控上。通过特殊预处理工艺，成功打破Cu(111)低指数晶面热力学的绝对优势，控制动力学上的单核异常长大。类比生物学中的“变异”思想，利用工业多晶铜箔制备出30余种高指数晶面的单晶铜箔库。之后，类比生物学中的“遗传”思想，将制备出的高指数晶面作为“籽晶”直接诱导多晶铜箔退火，实现了特定指数晶面的大尺寸单晶铜箔定向复制制造。该“变异”、“遗传”方法具有普适性，可推广至其它单晶金属箔材料的制造。
该研究成果有望对我国电子通信等领域的核心单晶金属箔材料储备以及电子级二维单晶材料额规模化制造产生重要、深远的影响。
图. 典型高指数面单晶铜箔的光学照片及单晶性表征