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你离柔性屏又近一步:中国科学家发现神奇半导体材料

www.zaoan.cc 2018年04月11日 09:26来源:澎湃新闻手机版

你离柔性手机屏又近了一步:中国科学家发现神奇半导体材料

澎湃新闻记者 吴跃伟

柔软,甚至可折叠的柔性电子设备,比如柔性手机屏,甚至柔软的手机等,是很多人期待已久的新装备。但受限于半导体材料的脆性,可能带来一场电子技术革命的柔性电子技术和生产工艺,还面临着巨大挑战。

中国科学家日前又攻下一城:他们的最新研究成果有望打破这一瓶颈。

中国科学院上海硅酸盐研究所史迅研究员、陈立东研究员与德国马普所的Yuri Grin教授等合作,率先发现了一种像金属一样“柔软”的半导体材料:它是一种典型的半导体,但却具有非常反常的、和金属类似的力学性能——良好的延展性和可弯曲性,或可广泛应用于柔性电子设备中。这一神奇材料的化学成分中含有银原子,为α-Ag2S。

原理图。神奇柔性半导体材料α-Ag2S
原理图。神奇柔性半导体材料α-Ag2S

相关研究论文4月9日在线发表在国际学术期刊《自然·材料学》杂志(Nature Materials)。

长期以来,人们以为半导体材料都像陶瓷一样脆。但中国科学家最新发现的α-Ag2S材料,其性能令人惊讶。

一般陶瓷和半导体的加工碎片则为细小颗粒或粉末,但α-Ag2S在外力和大应变下,也不会破碎。其材料的加工碎片和金属类似,是一片片细长的缠绕丝状物。

近年来迅速发展的柔性电子材料,只是将有机/无机材料电子器件制作在柔性衬底上。即便如此,它们独特的可变形性以及高效、低成本制造工艺,在信息、能源、医疗、国防等领域具有广泛应用前景。

然而,目前的无机材料尤其是半导体均为脆性材料,在大弯曲和大变形下,或者拉伸状况下极易发生断裂进而导致器件失效;此外,有机半导体相对无机半导体迁移率较低,且电学性能可调范围较小,无法满足半导体工业的蓬勃发展需求。

神奇半导体材料α-Ag2S。受访者供图
神奇半导体材料α-Ag2S。受访者供图

针对柔性电子的应用,史迅等研究人员制备了α-Ag2S薄膜,它比块体材料具有更大地变形能力。而且,在数十、上百次弯曲后,其导电性能基本维持不变或变化很小。

知其然,知其所以然。

研究人员发现,在α-Ag2S变形、滑移过程中,2个S原子沿着6个Ag原子构成的滑轨移动,此时不断有旧的Ag-S键减弱甚至断裂,而又有新的Ag-S键加强甚至生成。因此,其滑移面之间的作用力一直维持在Ag-S的成键状态,其在滑移过程中能量波动较小,导致了小的滑移能量势垒;同时该成键状态保证了这些滑移面之间较强的作用力,避免了在滑移过程中裂纹的产生甚至材料的解离。

这一性质与其他材料明显不同。金刚石材料在滑移过程中的势垒太大,所以,不存在滑移面,无法延展。而NaCl、石墨的滑移面之间的作用力太小,材料在滑移过程中很容易产生裂纹,从而解离,丧失完整性。

研究人员表示,一个具有良好滑移能力和延展性的材料必需满足两个基本条件:一是存在能量势垒较小的滑移面,能够在外力的作用下发生滑动;二是在滑移过程中不发生分解,仍然维持材料的整体性、完整性。

他们正在寻找其他类似于α-Ag2S的半导体材料。

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