可弯曲摔不碎的半导体?这是否颠覆了你对半导体的认识?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合作,发现了一种在室温条件下具有和金属一样延展性的半导体材料硫化亚银。硫化亚银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,特别是它拥有良好的延展性和可弯曲性,有望在柔性电子中获得广泛应用,比如智能衣服、可弯曲太阳能板等。相关研究北京时间4月9日发表于《自然·材料学》杂志。

20180411-semi-material 硫化亚银薄膜

良好弯曲性的无机半导体,是柔性电子业迫切需求

金属和陶瓷/半导体具有迥然不同的力学性能,比如金属具有良好的延展性、塑性、易加工等特性,而陶瓷和半导体在室温条件下则表现为脆性、塑性差、不易加工等特性。它们力学性能的差异导致了两者几乎截然相反的应用领域。特别是由于延展性的差别,在一些要求具有特殊形状或变形能力的应用场合,目前唯有金属和有机材料适合使用,而陶瓷/半导体因其脆性无法满足此类需求。

近年来,柔性电子得到了迅速发展,并被认为有可能带来一场电子技术革命。它是将有机/无机材料电子器件制作在柔性衬底上的新兴电子技术,以其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、大变形和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导电性更差,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。因此,寻找具有良好延展性和弯曲性的无机半导体材料,是柔性电子发展的迫切需求。

可弯曲性,在一次偶然的实验中被发现

硫化亚银这一半导体其实存在已久,原来主要用于实验室研究,很少民用。而它的可弯曲性是在一次偶然的实验中被发现的。

那是在2013年,课题组的一位学生想把硫化亚银砸成粉末来烧结,想看看其热电性能,结果怎么也砸不碎。这位学生当时很沮丧,觉得影响了实验进展。史迅和陈立东两位研究员看到这一现象却非常兴奋——这不正是有类似金属延展性的半导体。在这之前,还从未发现过柔性无机热电材料。即使是目前广泛用于芯片制造的半导体硅材料也不能弯曲,因此基于硅的半导体很难做柔性材料。

尽管课题组的研究方向是热电材料,两位研究员却决心“跨行”研究这一半导体的延展性机理。经过4年多的实验研究,他们对于硫化亚银这一半导体的可弯曲特性有了一个全新的认识。

压缩变形最大可达到50%以上

相对于其他的半导体或陶瓷,硫化亚银具有非常奇异和独特的力学性能。它具有和金属一样的延展性和变形能力,在外力和大应变下不发生材料的破坏和破碎。一般陶瓷和半导体的加工碎片为细小颗粒或粉末,而硫化亚银借助车床加工后,其碎片也类似金属成为一片片细长的缠绕丝状物,这也进一步表征它的力学性能。研究还发现,硫化亚银压缩变形最大可以达到50%以上,三点弯曲测试表明它的弯曲最大形变超过20%,拉伸测试则显示其拉伸形变可达4.2%。所有这些数值均远远超过已知的陶瓷和半导体材料,而和一些金属的力学性能相似。

20180411-semi-material-1 硫化亚银碎片类似金属为一片片细长的缠绕丝状物

针对柔性电子的应用,该团队还制备了硫化亚银薄膜,发现它具有比块体材料更大的变形能力。同时还表征了硫化亚银形变后的电学性能,在数十、上百次重复弯曲变形后,它的电性能基本维持不变或变化很小。

硫化亚银半导体在弯曲和变形下能维持材料的整体性和电学性能,其宽范围内可调的电性能、合适的带宽、大的迁移率使其有望广泛应用于柔性电子领域。“不过,目前离应用还有一段路,还需做进一步改进。”研究人员告诉记者。接下来,研究团队将开启寻找和发现其他具有类似金属力学性能的半导体材料研究。

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