中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心坐落于安徽省合肥市风景秀丽的科学岛，2008年4月30日经中国科学院批准成立，依托中国科学院合肥物质科学研究院管理（科发人教字〔2008〕133号），其前身是2005年12月20日成立的“合肥强磁场科学技术研究中心”。中心目标：发展强磁... 更多简介 +
稳态强磁场实验装置（SHMFF）是国家“十一五”重大科技基础设施，由中国科学院合肥物质科学研究院与中国科学技术大学联合承建攻关。装置于2008年启动建设，2017年通过国家验收。验收专家组一致认为，SHMFF“磁体技术和综合性能达到国际领先水平”，标志... 更多简介 +
近日，稳态强磁场实验装置（SHMFF）用户上海大学钟云波教授、郑天祥教授团队利用SHMFF水冷磁体WM2以及高温热处理炉，成功实现了低位错密度、大尺寸铜单晶的超快速定向生长，生长速率可达毫米每秒级别，较传统方法提升近40倍。相关成果以“Ultrafast, Free Growth of Low-Dislocation-Density Large-Sized Bulk Copper Single Crystals under High Magnetic Field”为题发表于晶体学领域权威期刊Crystal Growth & Design，并被选为封面论文。
图1. 论文封面
铜单晶因其优异的力学和电学性能，在集成电路、高端信号传输和二维材料合成等领域具有广阔应用前景。然而，传统制备方法如布里奇曼法、热型连铸等生长速率低（通常在微米每秒量级），且容易引入位错等晶格缺陷，难以满足低成本、高效率、大规模生产的需求。
针对这一挑战，该团队提出了一种强磁场辅助的超快速定向凝固新策略：在10 T量级的强磁场环境下，磁场的热电磁制动效应能够有效抑制熔体对流、拓宽热边界层，并使固液界面趋于平整，从而为单晶的稳定生长创造理想条件。实验结果显示，在无磁场条件下，当生长速率提高至300 μm/s时，铜晶体中开始出现大量杂晶；而在10 T磁场下，即使在1000 μm/s的超高生长速率下，晶体仍保持完整的单晶结构，且位错密度显著降低。通过X射线衍射、电子背散射衍射和透射电镜等表征手段，团队证实强磁场实验条件下生长的铜单晶具有更高的结晶质量和更低的缺陷密度，并表现出优异的导电性能。
基于实验观察，团队提出了“磁场致热边界层宽化”理论模型，揭示了强磁场在单晶形核初期通过抑制对流、增大有效形核距离、降低形核过冷度等机制，显著提高单晶形成概率的内在机理，为强磁场辅助单晶生长奠定了理论基础。
值得一提的是，强磁场助力材料制备新方法不仅适用于纯铜，还可推广至铜铁合金、纯锗、纯锌等多种金属和半导体单晶材料的制备，展现出良好的普适性和应用潜力。该研究为下一代高性能集成电路和新能源等领域的高品质单晶材料的低成本、规模化制备和应用奠定基础。
此项工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市科委等项目的支持。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.cgd.5c01593
图2. 左图：有无强磁场下获得纯铜晶体；右图：不同磁感应强度与冷却速度条件下获得的纯锌、纯锗晶体
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