与金属媲美、可弯曲不易断裂

未来半导体新材料也可以“柔软”穿在身上

科技日报上海4月10日电(记者王春)  从智能手机到穿戴式传感器，柔性电子产品越来越普遍地深入每个人的生活。人们期待，陶瓷或半导体这些已知的脆性材料，是否也能具备金属特性，既能大弯曲和大变形，又能在拉伸状况下不易发生断裂进而导致器件失效。目前，由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，发现了首个可弯曲的无机半导体材料——硫化亚银，并成功开发制备成薄膜。新材料有望在柔性电子中获得广泛应用。此项成果10日发表于《自然材料学》杂志。

硫化亚银是一种具有反常金属拓展性的典型的半导体新材料，具有锯齿形的褶皱层状单斜结构。它由4个S和4个Ag原子构成一个8原子的圆环，圆环和圆环之间通过S原子连接，其晶体结构犹如火车铺就的“轨道”。这种结构让硫化亚银拥有了奇异和独特的力学性能“魔力”。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，它的材料加工碎片也和金属类似为一片片细长的缠绕丝状物，而一般陶瓷和半导体的加工碎片则为细小颗粒或粉末。研究团队还发现，硫化亚银的压缩变形最大可以达到50%以上，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。

研究团队进一步研究了硫化亚银这些反常力学性能的机制和机理。对于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。研究团队计算模拟了包括硫化亚银、石墨、金刚石、金属Mg等一系列材料，还采用量子化学计算揭示了α-Ag2S滑移面之间作用力的根源和作用方式，发现硫化亚银满足这两个特性，在滑移过程中，原子构成滑轨移动，以及在滑移过程中能量波动较小；同时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。

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，发现数十、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。

硫化亚银半导体具有类似金属的力学性能，它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。同时，研究团队也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的研究。