一种超薄单晶金属膜及其制备方法

本发明涉及超薄金属材料领域，尤其涉及一种厚度可实现原子级精度控制的超薄单晶金属膜及其制备方法。

背景技术：

1、低维单晶金属材料(如金属纳米颗粒、金属纳米线、超薄金属膜等)由于其独特的物理、化学、机械等特性，吸引了人们广泛的研究兴趣，并在构建纳米电子、光电子器件等方面具有重要应用前景。其中，超薄(厚度在亚10nm尺度)单晶金属膜材料具有量子尺寸效应引起的独特光电特性、等离激元极端光场局域特性、宽波段红外高吸收率、高光学透过率等优势，是实现新一代基于金属的超薄电子、光子和量子器件的理想之选。

2、制备金属薄膜的方法主要包括物理气相沉积(热蒸镀、电子束蒸镀等)和湿化学合成两种。对于物理气相沉积方法，由于金属在常用电介质衬底上的浸润性很差，当其厚度小于10nm时，所形成的金属膜通常成岛状不连续结构。利用铜、有机硅烷等作为种子层或粘附层，可以显著降低金属的渗流阈值从而制备大面积的连续超薄金属膜，厚度低至1-2nm。但是，通过此类方法获得的超薄金属膜为多晶结构，电子在晶界的散射损耗极大影响其后续应用性能。同时，由于种子层或粘附层的存在，所制备的超薄金属膜很难从衬底上剥离，极大地限制了超薄金属膜与其它材料、结构的多功能集成。

3、利用湿化学合成方法(包括种子媒介合成法、聚合物还原合成发、二维模板辅助合成法、甲基橙辅助合成法等)可直接合成超平整单晶金属薄片，其厚度可小于1nm。文献“ye,s.et al.,sub-nanometer thick gold nanosheets as highlyefficientcatalysts.adv.sci.6,1900911,2019”提出的通过甲基橙辅助的方法合成得到了厚度仅有0.48nm的超薄单晶金片，但是其横向尺寸仅为～100nm。目前利用湿化学合成方法的限制在于：在单晶金属薄片合成过程中，其横向尺寸的增加必然伴随着厚度的增加(尽管存在生长速率的差异)，这使得到目前为止仍然无法制备大尺寸超薄单晶金属片。对于厚度小于5nm的单晶金属薄片，其横向尺寸通常小于1μm，难以满足其在电子、光电子器件等方面的应用。

4、因此，尽管超薄单晶金属膜在基础研究及构建新一代电子、光电子、量子器件等方面具有重要应用前景，但是到目前为止仍然没有一种有效的方法来制备超薄大尺寸单晶金属膜。本发明中增加了化学腐蚀的减薄方法，使得单晶金属膜在保持横向大尺寸的同时，厚度可低至单原子层。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种超薄单晶金属膜及其制备方法，采用本方法可以对容易获得的厚度大于10nm的单晶金属膜进行原子级精度的减薄，从而获得厚度低至单原子层的超薄单晶金属膜。

2、本发明公开一种超薄单晶金属膜及其制备方法，所述制备方法为将生长于衬底上的厚度较大的初始单晶金属膜放入腐蚀溶液中，利用腐蚀溶液和金原子的反应作用实现对金膜表面原子的逐层剥离减薄，最终获得低至单原子层厚度的超薄单晶金属膜。

3、为实现上述目的，本发明所采取的技术方案包括如下步骤：

4、本发明公开了一种超薄单晶金属膜，金属膜厚度最小至单原子层，并且超薄单晶金属膜横向尺寸大于1μm。

5、作为进一步地改进，本发明所述的超薄单晶金属膜材料为金、银、铂、铜中的一种。

6、作为进一步地改进，本发明所述的超薄单晶金属膜表面粗糙度小于1nm。

7、本发明公开了一种超薄单晶金属膜的制备方法，包括如下步骤：

8、1)初始单晶金属膜1制备：利用外延沉积方法在衬底上制备连续单晶金属膜，或者利用化学合成方法在衬底上制备大尺寸单晶金属片，将得到的长有单晶金属膜衬底用超纯水冲洗干净、氮气吹干后备用；

9、2)超薄单晶金属膜2的制备：取步骤1)中的准备的长有单晶金属膜的衬底放入腐蚀溶液3中进行腐蚀减薄，单晶金属膜的厚度随反应时间逐渐减薄，在其厚度达到目标厚度后取出，并用超纯水冲洗干净、氮气吹干，即可得到超薄单晶金属膜2。

10、作为进一步地改进，本发明所述的步骤2)中腐蚀溶液为双氧水溶液、半胱胺溶液、半胱胺盐溶液中的一种。

11、作为进一步地改进，本发明所述的反应时间为5-900min，腐蚀溶液浓度为5-500mm。

12、作为进一步地改进，本发明所述的步骤2)中目标厚度为0.2-10nm。

13、作为进一步地改进，本发明所述的步骤1)中初始单晶金属膜1厚度大于10nm。

14、作为进一步地改进，本发明所述的腐蚀减薄过程中，单晶金属膜厚度控制可达原子级精度。

15、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

16、(1)本发明中，将长有单晶金属膜的衬底放入腐蚀溶液中进行腐蚀减薄，利用腐蚀分子与金属原子之间化学键的强相互作用逐层剥离金属原子，实现单晶金属膜厚度减薄的效果；

17、(2)本发明中，在制备过程中，通过设置腐蚀液浓度为5-500mm，腐蚀时间5-900min，可实现对单晶金属膜厚度的原子级精度控制，获得低至单原子层的超薄单晶金属膜；

18、(3)本发明中，在腐蚀过程中，单晶金属膜的横向尺寸基本保持不变，使得可以获得横向尺寸大于1μm甚至可至米量级的超薄单晶金属膜，极大提高了超薄金属膜的横向尺寸，拓展了该材料在光电子学等领域的应用范围；

19、(4)本发明中，超薄单晶金属膜表面粗糙度小于1nm，具有超平整表面质量，极大降低其光学损耗；

20、(5)本发明中，利用腐蚀溶液进行腐蚀减薄方法可以对初始单晶金属膜表面凸起进行更快速的腐蚀，从而使得初始表面粗糙的单晶金膜最终也可获得超平整表面质量，降低了对初始单晶金膜的质量要求；

21、(6)本发明中，所采用的化学腐蚀方法可适用于金、银、铂、铜等多种金属材料，极大拓展了可制备的超薄单晶金属的范围。

技术特征：

1.一种超薄单晶金属膜，其特征在于，所述的金属膜厚度最小至单原子层，并且所述的超薄单晶金属膜横向尺寸大于1μm。

2.根据权利要求1所述的超薄单晶金属膜，其特征在于，所述的超薄单晶金属膜材料为金、银、铂、铜中的一种。

3.根据权利要求1或2所述的超薄单晶金属膜，其特征在于，所述的超薄单晶金属膜表面粗糙度小于1nm。

4.一种超薄单晶金属膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

5.根据权利要求4所述的超薄单晶金属膜的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中腐蚀溶液为双氧水溶液、半胱胺溶液、半胱胺盐溶液中的一种。

6.根据权利要求4或5所述的超薄单晶金属膜的制备方法，其特征在于，所述的反应时间为5-900min，腐蚀溶液浓度为5-500mm。

7.根据权利要求4所述的超薄单晶金属膜的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中目标厚度为0.2-10nm。

8.根据权利要求4所述的超薄单晶金属膜的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中初始单晶金属膜1厚度大于10nm。

9.根据权利要求4所述的超薄单晶金属膜的制备方法，其特征在于，所述的腐蚀减薄过程中，单晶金属膜厚度控制可达原子级精度。

技术总结
本发明公开了一种超薄单晶金属膜及其制备方法，金属膜厚度最小至单原子层，并且超薄单晶金属膜横向尺寸大于1μm。本发明将长有单晶金属膜的衬底放入腐蚀溶液中进行腐蚀减薄，利用腐蚀分子与金属原子之间化学键的强相互作用逐层剥离金属原子，实现单晶金属膜厚度减薄的效果，在制备过程中，通过设置腐蚀液浓度为5‑500mM，腐蚀时间5‑900min，可实现对单晶金属膜厚度的原子级精度控制，获得低至单原子层的超薄单晶金属膜，单晶金属膜的横向尺寸基本保持不变，使得可以获得横向尺寸大于1μm甚至可至米量级的超薄单晶金属膜，极大提高了超薄金属膜的横向尺寸，拓展了该材料在光电子学等领域的应用范围。

技术研发人员：王攀,潘陈馨钰,朱佳杰,童利民
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/21