中國科學(xué)家日前又攻下一城：他們的最新研究成果有望打破這一瓶頸。

 

　　中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所史迅研究員、陳立東研究員與德國馬普所的Yuri Grin教授等合作，率先發(fā)現(xiàn)了一種像金屬一樣“柔軟”的半導(dǎo)體材料：它是一種典型的半導(dǎo)體，但卻具有非常反常的、和金屬類似的力學(xué)性能——良好的延展性和可彎曲性，或可廣泛應(yīng)用于柔性電子設(shè)備中。這一神奇材料的化學(xué)成分中含有銀原子，為α-Ag2S。

▲ 原理圖，神奇柔性半導(dǎo)體材料α-Ag2S

 

　　相關(guān)研究論文4月9日在線發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《自然·材料學(xué)》雜志（Nature Materials）。

 

　　長期以來，人們以為半導(dǎo)體材料都像陶瓷一樣脆。但中國科學(xué)家最新發(fā)現(xiàn)的α-Ag2S材料，其性能令人驚訝。

 

　　一般陶瓷和半導(dǎo)體的加工碎片則為細(xì)小顆粒或粉末，但α-Ag2S在外力和大應(yīng)變下，也不會破碎。其材料的加工碎片和金屬類似，是一片片細(xì)長的纏繞絲狀物。

 

　　近年來迅速發(fā)展的柔性電子材料，只是將有機/無機材料電子器件制作在柔性襯底上。即便如此，它們獨特的可變形性以及高效、低成本制造工藝，在信息、能源、醫(yī)療、國防等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。

 

　　然而，目前的無機材料尤其是半導(dǎo)體均為脆性材料，在大彎曲和大變形下，或者拉伸狀況下極易發(fā)生斷裂進而導(dǎo)致器件失效；此外，有機半導(dǎo)體相對無機半導(dǎo)體遷移率較低，且電學(xué)性能可調(diào)范圍較小，無法滿足半導(dǎo)體工業(yè)的蓬勃發(fā)展需求。

▲ 神奇半導(dǎo)體材料α-Ag2S。受訪者供圖

 

　　針對柔性電子的應(yīng)用，史迅等研究人員制備了α-Ag2S薄膜，它比塊體材料具有更大地變形能力。而且，在數(shù)十、上百次彎曲后，其導(dǎo)電性能基本維持不變或變化很小。

 

　　知其然，知其所以然。

 

　　研究人員發(fā)現(xiàn)，在α-Ag2S變形、滑移過程中，2個S原子沿著6個Ag原子構(gòu)成的滑軌移動，此時不斷有舊的Ag-S鍵減弱甚至斷裂，而又有新的Ag-S鍵加強甚至生成。因此，其滑移面之間的作用力一直維持在Ag-S的成鍵狀態(tài)，其在滑移過程中能量波動較小，導(dǎo)致了小的滑移能量勢壘；同時該成鍵狀態(tài)保證了這些滑移面之間較強的作用力，避免了在滑移過程中裂紋的產(chǎn)生甚至材料的解離。

 

　　這一性質(zhì)與其他材料明顯不同。金剛石材料在滑移過程中的勢壘太大，所以，不存在滑移面，無法延展。而NaCl、石墨的滑移面之間的作用力太小，材料在滑移過程中很容易產(chǎn)生裂紋，從而解離，喪失完整性。

 

　　研究人員表示，一個具有良好滑移能力和延展性的材料必需滿足兩個基本條件：一是存在能量勢壘較小的滑移面，能夠在外力的作用下發(fā)生滑動；二是在滑移過程中不發(fā)生分解，仍然維持材料的整體性、完整性。

 

　　他們正在尋找其他類似于α-Ag2S的半導(dǎo)體材料。