中國粉體網(wǎng)訊 金屬和陶瓷/半導體具有迥然不同的力學性能，如金屬具有良好的延展性,、塑性,、易加工等特性，而陶瓷和半導體則表現(xiàn)為脆性、塑性差,、不易加工等特性,。人類的生存和發(fā)展離不開這些基礎材料的研究,，目前金屬和陶瓷/半導體已走進了人們生產和生活的方方面面,，但它們力學性能的差異導致了兩者幾乎孑然相反的應用領域。特別由于延展性的差別,，金屬和陶瓷/半導體的制備科學和加工技術完全不同,，如金屬一般采用熔煉結合機械加工、沖壓,、精密鑄造成型等,，而陶瓷/半導體則由于其脆性，一般采用粉末燒結等方法獲得塊體材料,。在一些要求具有特殊形狀或外形以及變形能力的應用場合,，目前唯有金屬和有機材料適合使用，而陶瓷/半導體因其脆性無法滿足此類需求,。
近年來,，柔性電子引起全世界的廣泛關注并得到了迅速發(fā)展，并被認為有可能帶來一場電子技術革命,。它是將有機/無機材料電子器件制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、低成本制造工藝,，在信息,、能源、醫(yī)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(fā)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,，且電學性能可調范圍較小，無法滿足半導體工業(yè)的蓬勃發(fā)展需求,。因此,，開發(fā)具有良好延展性和彎曲性的無機半導體材料，實現(xiàn)柔性電子技術的集成裝備和制造工藝的突破,，是柔性電子發(fā)展的迫切需求,。
最近，中國科學院上海硅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(fā)現(xiàn)了一種室溫具有和金屬一樣延展性的半導體材料,。研究發(fā)現(xiàn)，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(fā)表于《自然-材料學》雜志（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(huán),，圓環(huán)和圓環(huán)之間通過S原子連接,。α-Ag2S是一種典型的半導體，能帶禁帶寬度在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100cm2V-1s-1左右,。α-Ag2S的電子濃度和電導率可通過元素摻雜提高幾個量級,，其電性能在半導體區(qū)間可自由調控。
相對于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(fā)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,。進一步表征它的力學性能發(fā)現(xiàn),，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(shù)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,。對于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(fā)生滑動,；二是在滑移過程中不發(fā)生分解，仍然維持材料的整體性、完整性,。研究人員采用第一性原理計算模擬了一系列材料包括α-Ag2S,、NaCl、石墨,、金剛石,、金屬Mg和Ti的滑移過程，發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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。還采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(fā)現(xiàn)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(tài),，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(tài)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，該團隊還制備了α-Ag2S薄膜,，發(fā)現(xiàn)它具有比塊體材料更大的變形能力,。同時還表征了α-Ag2S形變后的電學性能，發(fā)現(xiàn)數(shù)十、上百次重復彎曲變形后,，它的電性能基本維持不變或變化很小,。
不同于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,。它寬范圍內可調的電性能、合適的帶寬,、大的遷移率使其有望廣泛應用于柔性電子領域,。同時，該工作也將開啟尋找和發(fā)現(xiàn)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）等項目的資助和支持,。
α-Ag2S半導體材料的拉伸性能（左圖）和晶體結構（右圖）,。
α-Ag2S半導體材料的力學性能。a圖,，α-Ag2S的壓縮實物照片,；b圖，壓縮性能,；c圖,，彎曲性能；d圖,，拉伸性能,。
α-Ag2S半導體彎曲過程中的電阻變化。
