柔軟, 甚至可摺疊的柔性電子設備, 比如柔性手機屏, 甚至柔軟的手機等, 是很多人期待已久的新裝備. 但受限於半導體材料的脆性, 可能帶來一場電子技術革命的柔性電子技術和生產工藝, 還面臨著巨大挑戰. 中國科學家日前又攻下一城: 他們的最新研究成果有望打破這一瓶頸.
中國科學院上海矽酸鹽研究所史迅研究員, 陳立東研究員與德國馬普所的Yuri Grin教授等合作, 率先發現了一種像金屬一樣 '柔軟' 的半導體材料: 它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——良好的延展性和可彎曲性, 或可廣泛應用於柔性電子設備中. 這一神奇材料的化學成分中含有銀原子, 為α-Ag2S.
原理圖. 神奇柔性半導體材料α-Ag2S
相關研究論文4月9日線上發表在國際學術期刊《自然·材料學》雜誌 (Nature Materials) .
長期以來, 人們以為半導體材料都像陶瓷一樣脆. 但中國科學家最新發現的α-Ag2S材料, 其性能令人驚訝.
一般陶瓷和半導體的加工碎片則為細小顆粒或粉末, 但α-Ag2S在外力和大應變下, 也不會破碎. 其材料的加工碎片和金屬類似, 是一片片細長的纏繞絲狀物.
近年來迅速發展的柔性電子材料, 只是將有機/無機材料電子器件製作在柔性襯底上. 即便如此, 它們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.
神奇半導體材料α-Ag2S. 受訪者供圖
針對柔性電子的應用, 史迅等研究人員製備了α-Ag2S薄膜, 它比塊體材料具有更大地變形能力. 而且, 在數十, 上百次彎曲後, 其導電性能基本維持不變或變化很小.
知其然, 知其所以然.
研究人員發現, 在α-Ag2S變形, 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, 其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.
這一性質與其他材料明顯不同. 金剛石材料在滑移過程中的勢壘太大, 所以, 不存在滑移面, 無法延展. 而NaCl, 石墨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, 喪失完整性.
研究人員表示, 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.
他們正在尋找其他類似於α-Ag2S的半導體材料.
