《自然·材料》上硅所：发现奇异独特力学性能的半导体材料！

2018-04-13 13:57:53 作者：本网整理来源：材料科学与工程分享至：

金属和陶瓷/半导体具有迥然不同的力学性能，如金属具有良好的延展性、塑性、易加工等特性，而陶瓷和半导体则表现为脆性、塑性差、不易加工等特性。人类的生存和发展离不开这些基础材料的研究，目前金属和陶瓷/半导体已走进了人们生产和生活的方方面面，但它们力学性能的差异导致了两者几乎孑然相反的应用领域。特别由于延展性的差别，金属和陶瓷/半导体的制备科学和加工技术完全不同，如金属一般采用熔炼结合机械加工、冲压、精密铸造成型等，而陶瓷/半导体则由于其脆性，一般采用粉末烧结等方法获得块体材料。在一些要求具有特殊形状或外形以及变形能力的应用场合，目前唯有金属和有机材料适合使用，而陶瓷/半导体因其脆性无法满足此类需求。

近年来，柔性电子引起全世界的广泛关注并得到了迅速发展，并被认为有可能带来一场电子技术革命。它是将有机/无机材料电子器件制作在柔性衬底上的新兴电子技术，以其独特的可变形性以及高效、低成本制造工艺，在信息、能源、医疗、国防等领域具有广泛应用前景。然而，目前的无机材料尤其是半导体均为脆性材料，在大弯曲和大变形下，或者拉伸状况下极易发生断裂进而导致器件失效；此外，有机半导体相对无机半导体迁移率较低，且电学性能可调范围较小，无法满足半导体工业的蓬勃发展需求。因此，开发具有良好延展性和弯曲性的无机半导体材料，实现柔性电子技术的集成装备和制造工艺的突破，是柔性电子发展的迫切需求。

最近，中国科学院上海硅酸盐研究所研究员史迅、陈立东与德国马普所教授Yuri Grin等合作，发现了一种室温具有和金属一样延展性的半导体材料。研究发现，α-Ag2S是一种典型的半导体，但却具有非常反常的和金属类似的力学性能，特别是它拥有良好的延展性和可弯曲性，有望在柔性电子中获得广泛应用。相关研究发表于《自然-材料学》杂志（Nature Materials）。

论文链接：

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

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室温α-Ag2S具有锯齿形（zig-zag）的褶皱层状单斜结构。4个S和4个Ag原子构成一个8原子的圆环，圆环和圆环之间通过S原子连接。α-Ag2S是一种典型的半导体，能带禁带宽度在1eV左右；未掺杂的α-Ag2S主要是电子导电，其电子浓度较低，电导率比较小，在0.01Sm-1左右，电子迁移率较大，在100 cm2V-1s-1左右。α-Ag2S的电子浓度和电导率可通过元素掺杂提高几个量级，其电性能在半导体区间可自由调控。

相对于其他的半导体或者陶瓷，α-Ag2S具有非常奇异和独特的力学性能。它具有和金属一样的延展性和变形能力，在外力和大应变下不发生材料的破坏和破碎，它的材料加工碎片也和金属类似为一片片细长的缠绕丝状物，而一般陶瓷和半导体的加工碎片则为细小颗粒或粉末。进一步表征它的力学性能发现，α-Ag2S的压缩变形最大可以达到50%以上，三点弯曲测试表明它的弯曲最大形变超过20%，拉伸测试则显示α-Ag2S的拉伸形变可达4.2%。所有这些数值均远远超过已知的陶瓷和半导体材料，而和一些金属的力学性能相似。

研究团队进一步研究了α-Ag2S这些反常力学性能的机制和机理。对于一个具有良好滑移能力和延展性的材料，必需满足两个基本条件：一是存在能量势垒较小的滑移面，能够在外力的作用下发生滑动；二是在滑移过程中不发生分解，仍然维持材料的整体性、完整性。

研究人员采用第一性原理计算模拟了一系列材料包括α-Ag2S、NaCl、石墨、金刚石、金属Mg和Ti的滑移过程，发现α-Ag2S、NaCl、石墨、金属Mg和Ti均存在能量势垒较小的滑移面，其中α-Ag2S的滑移面是（100）面；而金刚石在滑移过程中势垒太大，不存在滑移面。同时还发现α-Ag2S、金属Mg和Ti的滑移面之间的相互作用力比较大，在材料滑移过程中很难产生裂纹和解离，维持了材料的整体性和完整性；而NaCl、石墨和金刚石的滑移面之间的作用力太小，材料在滑移过程中很容易产生裂纹从而解离。

还采用量子化学计算揭示了α-Ag2S滑移面之间作用力的根源和作用方式，发现在一个晶体周期内，除了分子间作用力外，（100）滑移面之间只存在2个黄色S原子和6个灰色Ag原子之间的成键作用。在滑移过程中，2个S原子沿着6个Ag原子构成的滑轨移动，此时不断有旧的Ag-S键减弱甚至断裂，而又有新的Ag-S键加强甚至生成。因此，（100）滑移面之间的作用力一直维持在Ag-S的成键状态，其在滑移过程中能量波动较小，导致了小的滑移能量势垒；同时该成键状态保证了这些滑移面之间较强的作用力，避免了在滑移过程中裂纹的产生甚至材料的解离。

针对柔性电子的应用，该团队还制备了α-Ag2S薄膜，发现它具有比块体材料更大的变形能力。同时还表征了α-Ag2S形变后的电学性能，发现数十、上百次重复弯曲变形后，它的电性能基本维持不变或变化很小。