中國粉體網(wǎng)訊 金屬和陶瓷/半導(dǎo)體具有迥然不同的力學(xué)性能，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)體則表現(xiàn)為脆性、塑性差、不易加工等特性。人類的生存和發(fā)展離不開這些基礎(chǔ)材料的研究，目前金屬和陶瓷/半導(dǎo)體已走進了人們生產(chǎn)和生活的方方面面，但它們力學(xué)性能的差異導(dǎo)致了兩者幾乎孑然相反的應(yīng)用領(lǐng)域。特別由于延展性的差別，金屬和陶瓷/半導(dǎo)體的制備科學(xué)和加工技術(shù)完全不同，如金屬一般采用熔煉結(jié)合機械加工、沖壓、精密鑄造成型等，而陶瓷/半導(dǎo)體則由于其脆性，一般采用粉末燒結(jié)等方法獲得塊體材料。在一些要求具有特殊形狀或外形以及變形能力的應(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，柔性電子引起全世界的廣泛關(guān)注并得到了迅速發(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，在大彎曲和大變形下，或者拉伸狀況下極易發(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，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，開發(fā)具有良好延展性和彎曲性的無機半導(dǎo)體材料，實現(xiàn)柔性電子技術(shù)的集成裝備和制造工藝的突破，是柔性電子發(fā)展的迫切需求。
最近，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員史迅、陳立東與德國馬普所教授Yuri Grin等合作，發(fā)現(xiàn)了一種室溫具有和金屬一樣延展性的半導(dǎo)體材料。研究發(fā)現(xiàn)，α-Ag2S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。相關(guān)研究發(fā)表于《自然-材料學(xué)》雜志（Nature Materials）。
室溫α-Ag2S具有鋸齒形（zig-zag）的褶皺層狀單斜結(jié)構(gòu)。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。α-Ag2S是一種典型的半導(dǎo)體，能帶禁帶寬度在1eV左右；未摻雜的α-Ag2S主要是電子導(dǎo)電，其電子濃度較低，電導(dǎo)率比較小，在0.01Sm-1左右，電子遷移率較大，在100cm2V-1s-1左右。α-Ag2S的電子濃度和電導(dǎo)率可通過元素摻雜提高幾個量級，其電性能在半導(dǎo)體區(qū)間可自由調(diào)控。
相對于其他的半導(dǎo)體或者陶瓷，α-Ag2S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，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(dǎo)體的加工碎片則為細小顆�；蚍勰＿M一步表征它的力學(xué)性能發(fā)現(xiàn)，α-Ag2S的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α-Ag2S的拉伸形變可達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。
研究團隊進一步研究了α-Ag2S這些反常力學(xué)性能的機制和機理。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。研究人員采用第一性原理計算模擬了一系列材料包括α-Ag2S、NaCl、石墨、金剛石、金屬Mg和Ti的滑移過程，發(fā)現(xiàn)α-Ag2S、NaCl、石墨、金屬Mg和Ti均存在能量勢壘較小的滑移面，其中α-Ag2S的滑移面是（100）面；而金剛石在滑移過程中勢壘太大，不存在滑移面。同時還發(fā)現(xiàn)α-Ag2S、金屬Mg和Ti的滑移面之間的相互作用力比較大，在材料滑移過程中很難產(chǎn)生裂紋和解離，維持了材料的整體性和完整性；而NaCl、石墨和金剛石的滑移面之間的作用力太小，材料在滑移過程中很容易產(chǎn)生裂紋從而解離。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)在一個晶體周期內(nèi)，除了分子間作用力外，（100）滑移面之間只存在2個黃色S原子和6個灰色Ag原子之間的成鍵作用。在滑移過程中，2個S原子沿著6個Ag原子構(gòu)成的滑軌移動，此時不斷有舊的Ag-S鍵減弱甚至斷裂，而又有新的Ag-S鍵加強甚至生成。因此，（100）滑移面之間的作用力一直維持在Ag-S的成鍵狀態(tài)，其在滑移過程中能量波動較小，導(dǎo)致了小的滑移能量勢壘；同時該成鍵狀態(tài)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，該團隊還制備了α-Ag2S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α-Ag2S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。
不同于已知脆性的陶瓷和半導(dǎo)體材料，α-Ag2S半導(dǎo)體具有類似金屬的力學(xué)性能，在彎曲和變形下能維持材料的整體性和電學(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，該工作也將開啟尋找和發(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。
研究工作得到了國家自然科學(xué)基金（51625205 and 51632010）、中科院重點部署項目（KFZD-SW-421）、上海市基礎(chǔ)重大項目（15JC1400301）和學(xué)科帶頭人（16XD1403900）等項目的資助和支持。
α-Ag2S半導(dǎo)體材料的拉伸性能（左圖）和晶體結(jié)構(gòu)（右圖）。
α-Ag2S半導(dǎo)體材料的力學(xué)性能。a圖，α-Ag2S的壓縮實物照片；b圖，壓縮性能；c圖，彎曲性能；d圖，拉伸性能。
α-Ag2S半導(dǎo)體彎曲過程中的電阻變化。
