铜是与人类关系非常密切的有色金属，被广泛应用于电气、轻工、机械制造、建筑工业、国防工业等领域，在中国有色金属材料的消费中占据着极为重要的地位。单晶铜箔由于没有晶界、缺陷少、电阻低，被认为是未来5G领域的核心材料。单晶铜箔的制备近年来已经成为科研界和产业界竞争的高地。但是，目前的退火方法所能得到晶面仅局限于表面能更低的低指数面，且能获得的尺寸有限。由于在热力学和动力学上不占优势，大尺寸高指数晶面铜箔的规模化制备仍是技术盲区，亟待攻克。
2020年5月27日，《自然》杂志以“Seeded growth of large single-crystal copper foils with high-index facets”为题，在线发表题刘开辉团队与合作者的最新研究成果。该工作在世界范围内首次实现了利用表界面调控实现30余种米级单晶高指数铜箔的制备。该生长机制具有普适性，可推广到其它金属单晶箔片的制备。
该文章打破了传统的单晶铜箔退火过程的热力学束缚，创造性地在铜箔上下表面引入氧化层，从而将一个主要由表面能控制的再结晶过程转化为了界面能控制的再结晶过程。成功将低指数晶面的绝对优势打破，进而制备出了多达30余种晶面的大尺寸单晶铜箔。之后，类比生物学中的“遗传”思想，刘开辉团队通过将制备出的“籽晶”放到商业多晶铜箔上，进行退火处理，实现了特定晶面大尺寸单晶铜箔的定向制造。同时，研究团队发现该方法具有普适性，可推广至其它单晶金属箔片的制备。该工作有望推进单晶金属箔片在高速通信、机械制造、催化合成、国防工业等领域的高端应用。
各指数晶面单晶铜箔库原子结构示意图
北京大学物理学院吴慕鸿助理研究员、博士生张志斌、博士后张智宏，华南师范大学物理与电信工程学院徐小志研究员为论文共同第一作者；北京大学物理学院刘开辉研究员、王恩哥院士，南方科技大学俞大鹏院士，韩国蔚山科学技术院丁峰教授为论文通讯作者。
刘开辉，北京大学物理学院研究员、课题组长、博士生导师、基金委“优青”、国家重点研发计划课题负责人。本科毕业于北京师范大学物理学系；博士毕业于中科院物理所；2009-2014在美国加州大学伯克利分校物理系从事博士后研究工作；2014年到北京大学物理学院工作。主要从事界面调控二维材料生长动力学和物性研究，在二维单晶材料超快生长设计、米级单晶薄膜材料制造方法、表界面耦合光谱学研究方向开展了系列工作。发表科研论文100余篇，通讯/第一作者50余篇包括Nature系列 (正刊2篇，子刊11篇)、PNAS (2篇)、JACS (3篇)、Nano Letters (4篇)、Advanced Materials (7篇)。目前担任Science Bulletin副主编，Nanotechnology、低温物理学报编委，全国材料新技术发展研究会理事。曾获北京市科学技术一等奖（2009）和三等奖（2017）、中国十大科技新锐人物（2016）、北京市优秀人才青年拔尖个人（2017）、纳米之星”创新创业大赛团队第一名（2017）等奖项。
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