與金屬媲美、可彎曲不易斷裂

未來(lái)半導(dǎo)體新材料也可以“柔軟”穿在身上

科技日?qǐng)?bào)上海4月10日電(記者王春)  從智能手機(jī)到穿戴式傳感器，柔性電子產(chǎn)品越來(lái)越普遍地深入每個(gè)人的生活。人們期待，陶瓷或半導(dǎo)體這些已知的脆性材料，是否也能具備金屬特性，既能大彎曲和大變形，又能在拉伸狀況下不易發(fā)生斷裂進(jìn)而導(dǎo)致器件失效。目前，由中國(guó)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(guó)馬普所的Yuri Grin教授等合作，發(fā)現(xiàn)了首個(gè)可彎曲的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料——硫化亞銀，并成功開(kāi)發(fā)制備成薄膜。新材料有望在柔性電子中獲得廣泛應(yīng)用。此項(xiàng)成果10日發(fā)表于《自然材料學(xué)》雜志。

硫化亞銀是一種具有反常金屬拓展性的典型的半導(dǎo)體新材料，具有鋸齒形的褶皺層狀單斜結(jié)構(gòu)。它由4個(gè)S和4個(gè)Ag原子構(gòu)成一個(gè)8原子的圓環(huán)，圓環(huán)和圓環(huán)之間通過(guò)S原子連接，其晶體結(jié)構(gòu)猶如火車鋪就的“軌道”。這種結(jié)構(gòu)讓硫化亞銀擁有了奇異和獨(dú)特的力學(xué)性能“魔力”。它具有和金屬一樣的延展性和變形能力，在外力和大應(yīng)變下不發(fā)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(xì)長(zhǎng)的纏繞絲狀物，而一般陶瓷和半導(dǎo)體的加工碎片則為細(xì)小顆?；蚍勰Ｑ芯繄F(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，硫化亞銀的壓縮變形最大可以達(dá)到50%以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)已知的陶瓷和半導(dǎo)體材料，而和一些金屬的力學(xué)性能相似。

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研究了硫化亞銀這些反常力學(xué)性能的機(jī)制和機(jī)理。對(duì)于一個(gè)具有良好滑移能力和延展性的材料，必需滿足兩個(gè)基本條件：一是存在能量勢(shì)壘較小的滑移面，能夠在外力的作用下發(fā)生滑動(dòng)；二是在滑移過(guò)程中不發(fā)生分解，仍然維持材料的整體性、完整性。研究團(tuán)隊(duì)計(jì)算模擬了包括硫化亞銀、石墨、金剛石、金屬M(fèi)g等一系列材料，還采用量子化學(xué)計(jì)算揭示了α-Ag2S滑移面之間作用力的根源和作用方式，發(fā)現(xiàn)硫化亞銀滿足這兩個(gè)特性，在滑移過(guò)程中，原子構(gòu)成滑軌移動(dòng)，以及在滑移過(guò)程中能量波動(dòng)較?。煌瑫r(shí)保證了這些滑移面之間較強(qiáng)的作用力，避免了在滑移過(guò)程中裂紋的產(chǎn)生甚至材料的解離。

針對(duì)柔性電子的應(yīng)用，該團(tuán)隊(duì)還制備了硫化亞銀薄膜，發(fā)現(xiàn)它具有比塊體材料更大的變形能力。同時(shí)還表征了硫化亞銀形變后的電學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)數(shù)十、上百次重復(fù)彎曲變形后，它的電性能基本維持不變或變化很小。

硫化亞銀半導(dǎo)體具有類似金屬的力學(xué)性能，它寬范圍內(nèi)可調(diào)的電性能、合適的帶寬、大的遷移率使其有望廣泛應(yīng)用于柔性電子領(lǐng)域。同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)也將開(kāi)啟尋找和發(fā)現(xiàn)其他具有類似金屬力學(xué)性能的半導(dǎo)體材料的研究。