與金屬媲美、可彎曲不易斷裂
未來半導(dǎo)體新材料也可以“柔軟”穿在身上
科技日報上海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)品越來越普遍地深入每個人的生活。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的Yuri Grin教授等合作,發(fā)現(xiàn)了首個可彎曲的無機(jī)半導(dǎo)體材料——硫化亞銀,并成功開發(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S和4個Ag原子構(gòu)成一個8原子的圓環(huán),圓環(huán)和圓環(huán)之間通過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?。研究團(tuán)隊還發(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(fā)生滑動;二是在滑移過程中不發(fā)生分解,仍然維持材料的整體性、完整性。研究團(tuán)隊計算模擬了包括硫化亞銀、石墨、金剛石、金屬Mg等一系列材料,還采用量子化學(xué)計算揭示了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特性,在滑移過程中,原子構(gòu)成滑軌移動,以及在滑移過程中能量波動較?。煌瑫r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(chǎn)生甚至材料的解離。
針對柔性電子的應(yīng)用,該團(tuán)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,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,研究團(tuán)隊也將開啟尋找和發(fā)現(xiàn)其他具有類似金屬力學(xué)性能的半導(dǎo)體材料的研究。