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未來半導體新材料也可以“柔軟”穿在身上

發布時間:2020-03-15  瀏覽:

從智能手機到穿戴式傳感器,柔性電子產品越來越普遍地深入每個人的生活。人們期待,陶瓷或半導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生斷裂進而導致器件失效。目前,由中國科學院上海矽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,發現了首個可彎曲的無機半導體材料——硫化亞銀,並成功開發製備成薄膜。新材料有望在柔性電子中獲得廣泛應用。此項成果10日發表於《自然材料學》雜誌。

硫化亞銀是一種具有反常金屬拓展性的典型的半導體新材料,具有鋸齒形的褶皺層狀單斜結構。它由4個S和4個Ag原子構成一個8原子的圓環,圓環和圓環之間通過S原子連接,其晶體結構猶如火車鋪就的“軌道”。這種結構讓硫化亞銀擁有了奇異和獨特的力學性能“魔力”。它具有和金屬一樣的延展性和變形能力,在外力和大應變下不發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長的纏繞絲狀物,而一般陶瓷和半導體的加工碎片則為細小顆粒或粉末。研究團隊還發現,硫化亞銀的壓縮變形最大可以達到50%以上,遠遠超過已知的陶瓷和半導體材料,而和一些金屬的力學性能相似。

研究團隊進一步研究了硫化亞銀這些反常力學性能的機製和機理。對於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麵,能夠在外力的作用下發生滑動;二是在滑移過程中不發生分解,仍然維持材料的整體性、完整性。研究團隊計算模擬了包括硫化亞銀、石墨、金剛石、金屬Mg等一係列材料,還采用量子化學計算揭示了α-Ag2S滑移麵之間作用力的根源和作用方式,發現硫化亞銀滿足這兩個特性,在滑移過程中,原子構成滑軌移動,以及在滑移過程中能量波動較小;同時保證了這些滑移麵之間較強的作用力,避免了在滑移過程中裂紋的產生甚至材料的解離。

針對柔性電子的應用,該團隊還製備了硫化亞銀薄膜,發現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後的電學性能,發現數十、上百次重複彎曲變形後,它的電性能基本維持不變或變化很小。

硫化亞銀半導體具有類似金屬的力學性能,它寬範圍內可調的電性能、合適的帶寬、大的遷移率使其有望廣泛應用於柔性電子領域。同時,研究團隊也將開啟尋找和發現其他具有類似金屬力學性能的半導體材料的研究。
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