{首页主词},&

《自然·材料》上硅所：發現奇異獨特力學性能的半導體材料！

2018-04-13 13:57:53 作者：本網整理來源：材料科學與工程分享至：

金屬和陶瓷/半導體具有迥然不同的力學性能，如金屬具有良好的延展性、塑性、易加工等特性，而陶瓷和半導體則表現為脆性、塑性差、不易加工等特性。人類的生存和發展離不開這些基礎材料的研究，目前金屬和陶瓷/半導體已走進了人們生產和生活的方方面面，但它們力學性能的差異導致了兩者幾乎孑然相反的應用領域。特別由于延展性的差別，金屬和陶瓷/半導體的制備科學和加工技術完全不同，如金屬一般采用熔煉結合機械加工、沖壓、精密鑄造成型等，而陶瓷/半導體則由于其脆性，一般采用粉末燒結等方法獲得塊體材料。在一些要求具有特殊形狀或外形以及變形能力的應用場合，目前唯有金屬和有機材料適合使用，而陶瓷/半導體因其脆性無法滿足此類需求。

近年來，柔性電子引起全世界的廣泛關注并得到了迅速發展，并被認為有可能帶來一場電子技術革命。它是將有機/無機材料電子器件制作在柔性襯底上的新興電子技術，以其獨特的可變形性以及高效、低成本制造工藝，在信息、能源、醫療、國防等領域具有廣泛應用前景。然而，目前的無機材料尤其是半導體均為脆性材料，在大彎曲和大變形下，或者拉伸狀況下極易發生斷裂進而導致器件失效；此外，有機半導體相對無機半導體遷移率較低，且電學性能可調范圍較小，無法滿足半導體工業的蓬勃發展需求。因此，開發具有良好延展性和彎曲性的無機半導體材料，實現柔性電子技術的集成裝備和制造工藝的突破，是柔性電子發展的迫切需求。

最近，中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員史迅、陳立東與德國馬普所教授Yuri Grin等合作，發現了一種室溫具有和金屬一樣延展性的半導體材料。研究發現，α-Ag2S是一種典型的半導體，但卻具有非常反常的和金屬類似的力學性能，特別是它擁有良好的延展性和可彎曲性，有望在柔性電子中獲得廣泛應用。相關研究發表于《自然-材料學》雜志（Nature Materials）。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41563-018-0047-z

·.png

室溫α-Ag2S具有鋸齒形（zig-zag）的褶皺層狀單斜結構。4個S和4個Ag原子構成一個8原子的圓環，圓環和圓環之間通過S原子連接。α-Ag2S是一種典型的半導體，能帶禁帶寬度在1eV左右；未摻雜的α-Ag2S主要是電子導電，其電子濃度較低，電導率比較小，在0.01Sm-1左右，電子遷移率較大，在100 cm2V-1s-1左右。α-Ag2S的電子濃度和電導率可通過元素摻雜提高幾個量級，其電性能在半導體區間可自由調控。

相對于其他的半導體或者陶瓷，α-Ag2S具有非常奇異和獨特的力學性能。它具有和金屬一樣的延展性和變形能力，在外力和大應變下不發生材料的破壞和破碎，它的材料加工碎片也和金屬類似為一片片細長的纏繞絲狀物，而一般陶瓷和半導體的加工碎片則為細小顆粒或粉末。進一步表征它的力學性能發現，α-Ag2S的壓縮變形最大可以達到50%以上，三點彎曲測試表明它的彎曲最大形變超過20%，拉伸測試則顯示α-Ag2S的拉伸形變可達4.2%。所有這些數值均遠遠超過已知的陶瓷和半導體材料，而和一些金屬的力學性能相似。

研究團隊進一步研究了α-Ag2S這些反常力學性能的機制和機理。對于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生滑動；二是在滑移過程中不發生分解，仍然維持材料的整體性、完整性。

研究人員采用第一性原理計算模擬了一系列材料包括α-Ag2S、NaCl、石墨、金剛石、金屬Mg和Ti的滑移過程，發現α-Ag2S、NaCl、石墨、金屬Mg和Ti均存在能量勢壘較小的滑移面，其中α-Ag2S的滑移面是（100）面；而金剛石在滑移過程中勢壘太大，不存在滑移面。同時還發現α-Ag2S、金屬Mg和Ti的滑移面之間的相互作用力比較大，在材料滑移過程中很難產生裂紋和解離，維持了材料的整體性和完整性；而NaCl、石墨和金剛石的滑移面之間的作用力太小，材料在滑移過程中很容易產生裂紋從而解離。

還采用量子化學計算揭示了α-Ag2S滑移面之間作用力的根源和作用方式，發現在一個晶體周期內，除了分子間作用力外，（100）滑移面之間只存在2個黃色S原子和6個灰色Ag原子之間的成鍵作用。在滑移過程中，2個S原子沿著6個Ag原子構成的滑軌移動，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，（100）滑移面之間的作用力一直維持在Ag-S的成鍵狀態，其在滑移過程中能量波動較小，導致了小的滑移能量勢壘；同時該成鍵狀態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生甚至材料的解離。

針對柔性電子的應用，該團隊還制備了α-Ag2S薄膜，發現它具有比塊體材料更大的變形能力。同時還表征了α-Ag2S形變后的電學性能，發現數十、上百次重復彎曲變形后，它的電性能基本維持不變或變化很小。