突破单晶衬底瓶颈：刘忠范院士团队复活BCP技术实现超平铜晶圆，推动石墨烯产业化

一、研究背景：单晶衬底的产业化困境

在二维材料（如石墨烯、hBN）的异质外延生长中，原子级平整的单晶衬底是保障材料质量的核心。其中，Cu(111)晶圆因与石墨烯晶格高度匹配，被视为理想衬底。然而，现有制备技术面临两大瓶颈：

异常晶粒生长（AGG）法：成本低且可量产，但冷轧工艺遗留的微米级表面起伏（粗糙度达59.15 nm），导致外延石墨烯晶畴取向发散、多层缺陷频发。

1. 磁控溅射/蓝宝石法：平整度优异，但蓝宝石晶圆成本高昂，且超薄铜膜高温易穿孔，工业适用性受限。
   布里奇曼切割抛光（BCP）技术虽能低成本制备超平单晶铜，却因加工应力在高温退火时触发“反向单晶化”（单晶退化为多晶），长期被产业弃用。

二、技术突破：再结晶抑制策略复活BCP工艺

北京大学刘忠范院士、孙禄钊研究员、贾开诚研究员团队提出分阶段退火策略，攻克BCP-Cu(111)晶圆的高温失效难题。该成果发表于《Advanced Materials》（DOI: 10.1002/adma.202501582）。

1. 工艺设计核心

2. 性能优势

• 超平整表面：白光干涉仪实测粗糙度0.81 nm（AGG铜箔的1/73），500 μm尺度波动<1 nm。

  

• 高单晶度：2英寸晶圆中89个检测区域仅3处存在晶界，XRD φ扫描显示严格120°间隔三峰。

  

三、超平衬底对石墨烯外延的调控机制

基于BCP-Cu(111)晶圆的超平整特性，团队揭示了表面对称性与外延质量的深层关联：

1. 晶畴取向一致性提升

• AGG铜箔：冷轧遗留的蜿蜒台阶诱导石墨烯非定向生长，μ-LEED检测相邻晶畴取向偏差达4.0°。

• BCP晶圆：原子级平整表面支撑97.13%取向一致性，>1000个六方晶畴边缘误差<0.5°（图4e-f）。

2. 缺陷抑制双机制

• 零多层生长：平整界面消除甲烷二次成核位点，单层区占比稳定>99%（AGG箔片波动40-90%）。

• 转移褶皱控制：表面曲率半径>10 μm，确保石墨烯/衬底共形接触，转移至SiO₂/Si后褶皱密度降低92%（图5g）。

  

  

四、产业价值与未来展望

1. 成本与性能双突破

• 成本降低50%：相较磁控溅射/蓝宝石方案，BCP技术兼具超平整与低成本优势。

• 半导体级石墨烯：为高频晶体管、光电探测器等器件提供均一性材料基础。

2. 延伸研究方向

• 大尺寸化：8英寸晶圆应力均匀性调控；

• 普适性验证：hBN、二硫化钼等二维材料外延适配性；

• 合金衬底优化：铜镍合金高温稳定性提升。

五、焦耳加热技术：材料科学的新引擎

刘忠范院士团队在石墨烯纤维制备中曾证明：焦耳加热可通过超高速升温（≈2000℃/毫秒级）与电流定向排列，显著提升材料性能（导电性+11%，拉伸强度+20%）。这与BCP晶圆的高温处理需求高度契合。

深圳中科精研FJH焦耳闪蒸加热装置正是面向此类前沿场景的解决方案：

• 超高速烧结：升温速率>1000 K/ms，精准匹配单晶衬底应力释放的瞬时高温需求；

• 智能化控制：全自动化操作+红外测温（2000K–8000K），避免人工误差，保障工艺重复性；

• 跨领域应用：石墨烯纤维定向排列、亚稳态纳米材料合成、废弃物回收材料处理。

🔬 科学家视角：BCP晶圆的“再结晶抑制”需严格控温，而FJH装置的毫秒级响应与能量局域化特性，有望进一步压缩退火周期，为8英寸晶圆量产提供新工艺路径。

结语

刘忠范院士团队的工作不仅复活了BCP技术这一“沉睡的巨人”，更开创了表面拓扑工程调控外延的新范式。当超平单晶衬底与焦耳加热等颠覆性技术协同进化，二维材料的产业化图景正加速照进现实。

深圳中科精研将持续深耕焦耳热技术，为科研界提供超高速、高精度、全自动化的材料制备解决方案，助力中国新材料技术从实验室走向产业高地。

参考文献
Chengjin Wu, Buhang Chen, Haiyang Liu, et al. Restoring Ultra‐Flat Bridgman‐Fabricated Single‐rystal Cu(111) Wafers via Recrystallization Arrest Strategy for High‐Quality Graphene Epitaxy. Advanced Materials, 2025, DOI: 10.1002/adma.202501582.

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