近年來, 柔性電子引起全世界的廣泛關注並得到了迅速發展, 並被認為有可能帶來一場電子技術革命. 它是將有機/無機材料電子器件製作在柔性襯底上的新興電子技術, 以其獨特的可變形性以及高效, 低成本製造工藝, 在資訊, 能源, 醫療, 國防等領域具有廣泛應用前景. 然而, 目前的無機材料尤其是半導體均為脆性材料, 在大彎曲和大變形下, 或者拉伸狀況下極易發生斷裂進而導致器件失效; 此外, 有機半導體相對無機半導體遷移率較低, 且電學性能可調範圍較小, 無法滿足半導體工業的蓬勃發展需求. 因此, 開發具有良好延展性和彎曲性的無機半導體材料, 實現柔性電子技術的整合裝備和製造工藝的突破, 是柔性電子發展的迫切需求.
最近, 中國科學院上海矽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, 發現了一種室溫具有和金屬一樣延展性的半導體材料. 研究發現, α-Ag2S是一種典型的半導體, 但卻具有非常反常的和金屬類似的力學性能, 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用. 相關研究發表於《自然-材料學》雜誌 (Nature Materials) .
室溫α-Ag2S具有鋸齒形 (zig-zag) 的褶皺層狀單斜結構. 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. α-Ag2S是一種典型的半導體, 能帶禁頻寬度在1eV左右; 未摻雜的α-Ag2S主要是電子導電, 其電子濃度較低, 電導率比較小, 在0.01Sm-1左右, 電子遷移率較大, 在100 cm2V-1s-1左右. α-Ag2S的電子濃度和電導率可通過元素摻雜提高几個量級, 其電性能在半導體區間可自由調控.
相對於其他的半導體或者陶瓷, α-Ag2S具有非常奇異和獨特的力學性能. 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. 進一步表徵它的力學性能發現, 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%. 所有這些數值均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α-Ag2S這些反常力學性能的機制和機理. 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面, 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. 研究人員採用第一性原理計算類比了一系列材料包括α-Ag2S, NaCl, 石墨, 金剛石, 金屬Mg和Ti的滑移過程, 發現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. 同時還發現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生裂紋從而解離. 還採用量子化學計算揭示了α-Ag2S滑移面之間作用力的根源和作用方式, 發現在一個晶體周期內, 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, 其在滑移過程中能量波動較小, 導致了小的滑移能量勢壘; 同時該成鍵狀態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生甚至材料的解離.
針對柔性電子的應用, 該團隊還製備了α-Ag2S薄膜, 發現它具有比塊體材料更大的變形能力. 同時還表徵了α-Ag2S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.
不同於已知脆性的陶瓷和半導體材料, α-Ag2S半導體具有類似金屬的力學性能, 在彎曲和變形下能維持材料的整體性和電學性能. 它寬範圍內可調的電性能, 合適的頻寬, 大的遷移率使其有望廣泛應用於柔性電子領域. 同時, 該工作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.
研究工作得到了國家自然科學基金 (51625205 and 51632010) , 中科院重點部署項目 (KFZD-SW-421) , 上海市基礎重大項目 (15JC1400301) 和學科帶頭人 (16XD1403900) 等項目的資助和支援.
