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。

图：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。

文章链接：

Xun Shi, et al, "Room-temperature ductile inorganic semiconductor," Nature Materials(2018), doi:10.1038/s41563-018-0047-z

（本文来源：澎湃新闻，记者：吴跃伟）

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