延展性是金屬和合金中常見(jiàn)的機械性質(zhì)，在無(wú)機半導體和陶瓷中非常少見(jiàn)。近日，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所史迅研究員、陳立東研究員與德國馬普所合作，發(fā)現了世界首個(gè)室溫下可彎曲、摔不碎的非金屬半導體材料硫化亞銀。這是一種典型的半導體，卻具有非常反常的良好延展性和可彎曲性，有望在柔性電子中獲得廣泛應用。
一般而言，陶瓷和半導體表現出脆性、塑性差、不易加工等特性，它們與金屬在力學(xué)性能的差異導致了兩者幾乎截然相反的應用領(lǐng)域。特別由于延展性的差別，金屬和半導體的制備科學(xué)和加工技術(shù)完全不同。金屬一般采用熔煉結合機械加工、沖壓、精密鑄造成型等，而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(chǎng)合，目前只有金屬和有機材料適合使用，而半導體因其脆性無(wú)法滿(mǎn)足此類(lèi)需求。
硫化亞銀薄膜有不錯的變形能力
現今的無(wú)機材料尤其是半導體均為脆性材料，在大彎曲和大變形或者拉伸狀況下極易發(fā)生斷裂進(jìn)而導致器件失效。相對于其他的半導體或者陶瓷，硫化亞銀具有非常奇異和獨特的力學(xué)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。說(shuō)起硫化亞銀的發(fā)現，也是緣起一場(chǎng)偶然。“課題組學(xué)生做實(shí)驗時(shí)，想把它砸碎做成粉末，然而它卻很‘頑強’。”陳立東表示。這讓學(xué)生很無(wú)奈，卻激起了陳立東和史迅的興趣。他們意識到，不是金屬的硫化亞銀卻有很強的延展性，“會(huì )是一個(gè)好東西！”
隨著(zhù)進(jìn)一步研究，研究人員發(fā)現，硫化亞銀獨特的力學(xué)特性來(lái)源于它的結構和化學(xué)鍵的特殊性。“室溫下硫化亞銀具有鋸齒形的褶皺層狀單斜結構。通俗來(lái)說(shuō)，原子就像處在黃山的山峰范圍內，這樣運動(dòng)起來(lái)不需要消耗太多的能量。在滑移過(guò)程中也不發(fā)生分解，仍然維持材料的整體性、完整性。”進(jìn)一步表征它的力學(xué)性能發(fā)現，硫化亞銀的壓縮變形最大可以達到50%以上，三點(diǎn)彎曲測試表明它的彎曲最大形變超過(guò)20%，拉伸測試則顯示它的拉伸形變可達4.2%。所有這些數值均遠遠超過(guò)已知的陶瓷和半導體材料，和一些金屬的力學(xué)性能相似。
針對柔性電子的應用，該團隊還制備了硫化亞銀薄膜，發(fā)現它具有比塊體材料更大的變形能力。同時(shí)還表征了其形變后的電學(xué)性能，發(fā)現數十、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。“這就可以推動(dòng)柔性材料的開(kāi)發(fā)和柔性電子的應用。”史迅介紹，“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(lǐng)域。”
據悉，硫化亞銀將在柔性電子大有用武之地。“比如可穿戴設備、軍用輕裝備、可彎曲太陽(yáng)能板等。”
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