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

 

硫化亞銀薄膜

 

良好彎曲性的無機半導(dǎo)體，是柔性電子業(yè)迫切需求

 

金屬和陶瓷/半導(dǎo)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(dǎo)體在室溫條件下則表現(xiàn)為脆性、塑性差、不易加工等特性。它們力學(xué)性能的差異導(dǎo)致了兩者幾乎截然相反的應(yīng)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(yīng)用場合，目前唯有金屬和有機材料適合使用，而陶瓷/半導(dǎo)體因其脆性無法滿足此類需求。

 

近年來，柔性電子得到了迅速發(fā)展，并被認為有可能帶來一場電子技術(shù)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(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(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、大變形和拉伸狀況下極易發(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)體遷移率較低導(dǎo)電性更差，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。因此，尋找具有良好延展性和彎曲性的無機半導(dǎo)體材料，是柔性電子發(fā)展的迫切需求。

 

可彎曲性，在一次偶然的實驗中被發(fā)現(xiàn)

 

硫化亞銀這一半導(dǎo)體其實存在已久，原來主要用于實驗室研究，很少民用。而它的可彎曲性是在一次偶然的實驗中被發(fā)現(xiàn)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燒結(jié)，想看看其熱電性能，結(jié)果怎么也砸不碎。這位學(xué)生當(dāng)時很沮喪，覺得影響了實驗進展。史迅和陳立東兩位研究員看到這一現(xiàn)象卻非常興奮——這不正是有類似金屬延展性的半導(dǎo)體。在這之前，還從未發(fā)現(xiàn)過柔性無機熱電材料。即使是目前廣泛用于芯片制造的半導(dǎo)體硅材料也不能彎曲，因此基于硅的半導(dǎo)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(dǎo)體的延展性機理。經(jīng)過4年多的實驗研究，他們對于硫化亞銀這一半導(dǎo)體的可彎曲特性有了一個全新的認識。

 

壓縮變形最大可達到50%以上

 

相對于其他的半導(dǎo)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(yīng)變下不發(fā)生材料的破壞和破碎。一般陶瓷和半導(dǎo)體的加工碎片為細小顆粒或粉末，而硫化亞銀借助車床加工后，其碎片也類似金屬成為一片片細長的纏繞絲狀物，這也進一步表征它的力學(xué)性能。研究還發(fā)現(xiàn)，硫化亞銀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%，拉伸測試則顯示其拉伸形變可達4.2%。所有這些數(shù)值均遠遠超過已知的陶瓷和半導(dǎo)體材料，而和一些金屬的力學(xué)性能相似。

 

硫化亞銀碎片類似金屬為一片片細長的纏繞絲狀物

 

針對柔性電子的應(yīng)用，該團隊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。同時還表征了硫化亞銀形變后的電學(xué)性能，在數(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(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。“不過，目前離應(yīng)用還有一段路，還需做進一步改進。”研究人員告訴記者。接下來，研究團隊將開啟尋找和發(fā)現(xiàn)其他具有類似金屬力學(xué)性能的半導(dǎo)體材料研究。

 

（來源：上觀新聞）

 

 

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