可彎曲摔不碎的半導體？這是否顛覆了你對半導體的認識？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合作，發(fā)現了一種在室溫條件下具有和金屬一樣延展性的半導體材料硫化亞銀。硫化亞銀是一種典型的半導體，但卻具有非常反常的和金屬類(lèi)似的力學(xué)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，比如智能衣服、可彎曲太陽(yáng)能板等。相關(guān)研究北京時(shí)間4月9日發(fā)表于《自然·材料學(xué)》雜志。

 

硫化亞銀薄膜

 

良好彎曲性的無(wú)機半導體，是柔性電子業(yè)迫切需求

 

金屬和陶瓷/半導體具有迥然不同的力學(xué)性能，比如金屬具有良好的延展性、塑性、易加工等特性，而陶瓷和半導體在室溫條件下則表現為脆性、塑性差、不易加工等特性。它們力學(xué)性能的差異導致了兩者幾乎截然相反的應用領(lǐng)域。特別是由于延展性的差別，在一些要求具有特殊形狀或變形能力的應用場(chǎng)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(wú)法滿(mǎn)足此類(lèi)需求。

 

近年來(lái)，柔性電子得到了迅速發(fā)展，并被認為有可能帶來(lái)一場(chǎng)電子技術(shù)革命。它是將有機/無(wú)機材料電子器件制作在柔性襯底上的新興電子技術(shù)，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(lǐng)域具有廣泛應用前景。然而，目前的無(wú)機材料尤其是半導體均為脆性材料，在大彎曲、大變形和拉伸狀況下極易發(fā)生斷裂進(jìn)而導致器件失效；此外，有機半導體相對無(wú)機半導體遷移率較低導電性更差，且電學(xué)性能可調范圍較小，無(wú)法滿(mǎn)足半導體工業(yè)的蓬勃發(fā)展需求。因此，尋找具有良好延展性和彎曲性的無(wú)機半導體材料，是柔性電子發(fā)展的迫切需求。

 

可彎曲性，在一次偶然的實(shí)驗中被發(fā)現

 

硫化亞銀這一半導體其實(shí)存在已久，原來(lái)主要用于實(shí)驗室研究，很少民用。而它的可彎曲性是在一次偶然的實(shí)驗中被發(fā)現的。

 

那是在2013年，課題組的一位學(xué)生想把硫化亞銀砸成粉末來(lái)燒結，想看看其熱電性能，結果怎么也砸不碎。這位學(xué)生當時(shí)很沮喪，覺(jué)得影響了實(shí)驗進(jìn)展。史迅和陳立東兩位研究員看到這一現象卻非常興奮——這不正是有類(lèi)似金屬延展性的半導體。在這之前，還從未發(fā)現過(guò)柔性無(wú)機熱電材料。即使是目前廣泛用于芯片制造的半導體硅材料也不能彎曲，因此基于硅的半導體很難做柔性材料。

 

盡管課題組的研究方向是熱電材料，兩位研究員卻決心“跨行”研究這一半導體的延展性機理。經(jīng)過(guò)4年多的實(shí)驗研究，他們對于硫化亞銀這一半導體的可彎曲特性有了一個(gè)全新的認識。

 

壓縮變形最大可達到50%以上

 

相對于其他的半導體或陶瓷，硫化亞銀具有非常奇異和獨特的力學(xué)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(fā)生材料的破壞和破碎。一般陶瓷和半導體的加工碎片為細小顆?；蚍勰?，而硫化亞銀借助車(chē)床加工后，其碎片也類(lèi)似金屬成為一片片細長(cháng)的纏繞絲狀物，這也進(jìn)一步表征它的力學(xué)性能。研究還發(fā)現，硫化亞銀壓縮變形最大可以達到50%以上，三點(diǎn)彎曲測試表明它的彎曲最大形變超過(guò)20%，拉伸測試則顯示其拉伸形變可達4.2%。所有這些數值均遠遠超過(guò)已知的陶瓷和半導體材料，而和一些金屬的力學(xué)性能相似。

 

硫化亞銀碎片類(lèi)似金屬為一片片細長(cháng)的纏繞絲狀物

 

針對柔性電子的應用，該團隊還制備了硫化亞銀薄膜，發(fā)現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，在數十、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。

 

硫化亞銀半導體在彎曲和變形下能維持材料的整體性和電學(xué)性能，其寬范圍內可調的電性能、合適的帶寬、大的遷移率使其有望廣泛應用于柔性電子領(lǐng)域。“不過(guò)，目前離應用還有一段路，還需做進(jìn)一步改進(jìn)。”研究人員告訴記者。接下來(lái)，研究團隊將開(kāi)啟尋找和發(fā)現其他具有類(lèi)似金屬力學(xué)性能的半導體材料研究。

 

（來(lái)源：上觀(guān)新聞）

 

 

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