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
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
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.
