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一层金箔，一篇Science
由于黄金延展性极好，自古就有工艺将其制成极薄的“金箔”，厚度甚至可以达到仅仅数百纳米，主要用于建筑、装饰、工艺品等等，甚至连食品、美容化妆品中都能看到它的身影。
金箔蛋糕与金箔面膜，图片来自网络
且不论金箔蛋糕口感如何、会不会导致重金属中毒，抛开人为赋予的“土豪”光环，黄金本质上是一种性能优异的材料，在电子产业、现代通讯、航天航空等领域都有着重要的应用。回到本文的标题，金箔和顶级学术期刊Science 之间，这次又会有怎样的联系呢？
近几年，以可穿戴设备为代表的柔性电子技术进步迅速，或许会成为下一代电子设备的发展方向。科学家尝试使用诸如碳纳米管、石墨烯、导电聚合物等多种类型材料作为柔性电子设备的基底，超薄金属膜也是其中很有希望的一类。金属在超薄膜状态下，具有很好的透光度、柔性以及导电性能，不过现在的制备手段主要是真空沉积或者溅射，成本高昂不说，得到的还大多是多晶结构的产品，而多晶电子材料晶界处发生的电子-空穴复合，极大地限制了其性能。现阶段，还需要开发简单、低成本的方法来生产具有高度有序结构的材料，用做半导体、光学材料外延生长的惰性衬底，以促进柔性电子设备的进一步发展。
近日，美国密苏里科技大学Jay A. Switzer等人在Science 上发表文章，以单晶硅为模板，通过外延剥离法制备了适用于柔性电子器件的单晶金箔（Au(111)）。这种方法简单且廉价，单晶硅模板可重复利用，所得的透明单晶金箔厚度仅28 nm，具有芯片级尺寸，薄层电阻低至7 Ω/sq，且经过4000次反复弯曲循环后，该金箔的电阻只增加了4%。
从单晶硅表面剥离的金箔。图片来源：Science
研究人员以单晶硅为模板，在其表面上利用电化学外延生长制备单晶金箔，随后在光照下通过光电化学氧化金箔下的硅层，来实现SiOx牺牲层的横向生长。再用HF处理，溶解掉SiOx牺牲层，金箔就可以被剥离下来。由于单晶硅模板每次只损耗几个纳米的厚度，因此理论上讲，一块模板可以重复使用上千次不成问题（下图）。
单晶金箔的外延剥离示意图。图片来源：Science
电化学氧化前后单晶金箔TEM图片。图片来源：Science
随后，研究者在金箔上旋涂制备了基于三（联吡啶）钌（II）的有机发光二极管（OLED）。这种钌配合物在激发波长455 nm表现出较强的光致发光，呈现明亮的红橙色（660 nm）。从下图可见，这种单晶金箔的柔性和透光度都比较理想。
基于单晶金箔的柔性OLED。图片来源：Science
为了研究金箔的单晶性质，研究者分别在多晶衬底（不锈钢）和金箔表面电沉积一层无机半导体Cu2O，制备了无机二极管。以金箔为衬底的器件表现出二极管品质因子n 为1.6（理想二极管的品质因子n 为1.0），而对应的多晶衬底的二极管品质因子n 为3.1。
以单晶金箔为衬底二极管性能测试。图片来源：Science
另外，在单晶金箔上电沉积的氧化锌纳米线也显示出良好的柔韧性，该纳米线能够经受500次的弯曲循环而无性能衰减。这与单晶金箔的柔性以及氧化锌的纳米线形貌直接相关。
Switzer教授称，该发现是一个“幸福的意外”，他们在摸索一种廉价的单晶制备方法时，偶然发现了这一过程。
Jay A. Switzer教授。图片来源：Missouri University of Science and Technology
随着柔性电子器件的迅速发展，越来越多的研究团队正在致力于电子器件结构和材料方面的探索。器件可以随意的弯曲、折叠、扭曲等，给生活生产带来极大的方便。在可预见的未来，手机可以像手表一样戴在手腕上，可穿戴设备可以更方便地用于监测人体的健康状况，如此等等，请让我们一起拭目以待。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：
Epitaxial lift-off of electrodeposited single-crystal gold foils for flexible electronics
Science, 2017, 355, 1203-1206, DOI: 10.1126/science.aam5830
（本文由小希供稿）