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小木蟲論壇-學術科研互動平臺 » 材料區(qū) » 功能材料 » 基礎研究 » “破界”之材！“中國牌”無機半導體來了
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yexuqing木蟲之王 (文學泰斗)
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“破界”之材！“中國牌”無機半導體來了
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“破界”之材！“中國牌”無機半導體來了 塑性無機半導體（左）和柔性熱電器件。仲鶴/攝 ■本報記者 王昊昊 剛則易碎、柔則失“性”，這是有關材料的一道經(jīng)典難題。尤其在半導體領域，卓越的電學、光學性能總與機械脆性相伴，如同魚與熊掌，難以兼得。 10多年前，一塊砸不碎、摔不爛的材料，讓中國科學院上海硅酸鹽研究所（以下簡稱上海硅酸鹽所）研究員史迅科研團隊的實驗短暫遇阻。但這個技術障礙，意外叩開了材料科學領域一扇全新的大門。 10多年過去，他們在國際上率先發(fā)現(xiàn)塑性無機半導體，實現(xiàn)該領域“從0到1”的突破，創(chuàng)造出“中國牌”無機半導體，打破了金屬與無機非金屬的傳統(tǒng)邊界，并初步開展產業(yè)應用研究。近日，史迅團隊憑借“塑性無機半導體”系列原始創(chuàng)新，榮獲2025年度中國科學院杰出科技成就獎基礎研究獎。史迅為成果第一完成人，中國科學院院士、上海硅酸鹽所研究員陳立東是第二完成人。 打破“剛”的特性5年沒有放棄“頑固”材料 2013年，史迅、陳立東團隊聯(lián)合開展熱電半導體材料相關研究�！皩嶒炦^程中，一名研究生發(fā)現(xiàn)有種常規(guī)的熱電陶瓷材料怎么都砸不碎，也摔不爛�！笔费刚f。這個技術難題讓研究生很苦惱，因為如果該材料無法粉碎與燒結，就沒法開展后續(xù)研究。 為了不耽誤科研進度，研究人員通常會考慮換材料，但史迅沒有這么做�！拔铱倢σ恍┫∑婀殴值牟牧稀F(xiàn)象感興趣。常規(guī)陶瓷材料是脆的，為什么這個材料如此反常？”他立馬來了興趣。在上海硅酸鹽所讀博時，史迅就師從陳立東，因此在察覺到這其中或許存在有趣的科學問題后，便和陳立東多次探討，帶著系列疑問開啟相關研究。 彼時，柔性電子引起廣泛關注并迅速發(fā)展，被認為有可能帶來一場電子技術革命。但無機非金屬材料尤其是半導體均為脆性材料，在大彎曲、大變形以及拉伸狀況下，極易發(fā)生斷裂進而導致器件失效。而有機半導體電學性能可調范圍較小，無法滿足半導體工業(yè)蓬勃發(fā)展的需求。 “砸不碎、摔不爛，意味著其力學行為不同于類似的材料�！笔费笀F隊對該材料的力學特性展開研究，但過程并不順利。 幾年過去，研究生換了兩名，研究還是未見起色。“如果很長時間不出成果，容易打擊科研新人的信心，因此兩名學生最后去研究簡單一些的材料體系了�！钡费缚偸遣桓市�，在“主業(yè)”熱電材料研究頻出成果的同時，他沒放棄這個有點像“副業(yè)”的方向。 隨著新一批學生的加入，研究越來越深入，團隊逐漸解析清楚了這一材料。原來，這個“頑固”的材料是硫化銀（α-Ag2S）。2018年，團隊在《自然-材料》上發(fā)表相關成果，宣布發(fā)現(xiàn)首個可彎曲拉伸無機半導體材料α-Ag2S。 緊接著，團隊又于2020年在《科學》發(fā)表成果，發(fā)現(xiàn)硒化銦（InSe）單晶材料也砸不碎、摔不爛，甚至可疊成紙飛機的形狀。Ag2S多晶和InSe單晶在塊體形態(tài)下具有類似金屬的良好塑性，可被大幅彎曲、折疊、扭轉而不破碎，最大壓縮應變近80%，彎曲應變超過20%，拉伸應變超過15%。 終于，他們叩開了一扇通往新材料世界的大門。團隊開辟了塑性無機半導體這一全新研究方向，實現(xiàn)該領域“從0到1”的突破，打破了金屬與無機非金屬材料的傳統(tǒng)性能邊界，讓“跨界新材料”的誕生成為可能。 揭開“柔”的奧秘從“一枝獨秀”到“百花齊放” Ag2S和InSe是特例，還是代表著一類未被發(fā)掘的材料家族？能否主動預測和尋找新的塑性半導體材料？ 為此，團隊邁出“從1到10”的關鍵一步，建立預測模型，創(chuàng)造性地提出了塑性變形因子這一理論模型。該因子綜合了3個關鍵參數(shù)，即衡量抗開裂能力的“解理能”、決定滑移難易的“滑移能壘”以及反映材料剛度的“楊氏模量”。3個參數(shù)如同一個材料的塑性體檢報告指標，能快速評估其塑性潛能。 有了理論工具，團隊借助高通量計算，開啟了大規(guī)模篩選。他們建立了自動化計算流程，從3451種硫族化合物中進行“海選”。面對如何確保計算準確性、建立可靠判據(jù)等難題，團隊通過反復驗證和優(yōu)化，最終將目標范圍大幅縮小至20余種重點候選材料。 “這一大規(guī)模篩選過程中，主要技術難點在于如何確保計算模型的準確性、可靠性，并與宏觀性能建立有效關聯(lián)�！眻F隊成員、上海硅酸鹽所副研究員高治強介紹，團隊建立了標準化的計算方案以確保不同材料數(shù)據(jù)之間的可比性，并通過在已知塑性材料上進行反復驗證，最終發(fā)現(xiàn)了多種新型塑性半導體。 隨后，團隊成功驗證了二硫化鉬、硒化錫等7種新型塑性二維無機半導體。材料家族的“擴編”，證明了塑性并非個例，而是一種可能具有普適性的新特性。 更大的挑戰(zhàn)在于改造那些性能優(yōu)異但本性“脆弱”的經(jīng)典材料。熱電領域“明星材料”碲化鉍（Bi2Te3）性能優(yōu)越但極易碎，團隊通過調制反位缺陷誘導形成高密度、多樣化微結構，實現(xiàn)該材料脆性-塑性轉變。相關成果于2024年發(fā)表于《科學》。 “我們給Bi2Te3做了一場微觀織構重構手術�！鄙虾９杷猁}所研究員仇鵬飛說，這些微結構像無數(shù)個微小的“緩沖關節(jié)”和“能量耗散器”，能有效阻礙裂紋的擴展，并將外部施加的機械應力通過自身可控的滑移或畸變吸收，從而使材料從脆性斷裂轉變?yōu)樗苄宰冃�，最終將壓縮應變提升至80%，同時保持優(yōu)異的熱電性能。 塑性無機半導體在室溫下具有很好的性能，如何適應其他工作溫度條件？ 解決材料塑性對溫度的依賴問題尤為關鍵。為此，團隊進一步建立了變溫塑性模型，預測并驗證了硒化銅、硒化銀等8種塑性無機半導體材料，發(fā)現(xiàn)它們在400至500K溫度條件下，仍能表現(xiàn)出優(yōu)良塑性，像金屬一樣，通過溫加工實現(xiàn)塑性變形與精密成型。 “我們實現(xiàn)了從偶然發(fā)現(xiàn)個例到建立普適理論預測模型、設計改造材料的過程，讓塑性無機半導體有了可供探索和設計的豐富材料庫�！笔费副硎�。 開拓“韌”的賽道要性能更要用武之地 具備塑性解決了“能用”的問題，但對功能材料而言，“好用”才是終極目標。 “功能半導體材料只追求力學塑性無實際意義，塑性是使用前提，要使材料適配柔性場景以及復雜幾何形態(tài)，功能才是核心價值，因此需要兼顧塑性和熱電、傳感等功能特性�！鄙虾９杷猁}所副研究員楊世琪說。 團隊在對Ag2S材料體系的研究中發(fā)現(xiàn)了一個奇妙的“過渡區(qū)”。在這個區(qū)域，材料的原子排列處于“左右逢源”的微妙狀態(tài)，既保留了使其柔韌的化學鍵網(wǎng)絡，又獲得了更優(yōu)的導電特性。有了這一發(fā)現(xiàn)，團隊像調制精密配方一樣，通過同時添加極微量的銅、硒、碲等各司其職的元素，使材料拉伸應變提升至與金屬相當?shù)?00%時，其熱電轉換效率提升數(shù)個量級。 基于高性能塑性功能材料，團隊又實現(xiàn)了一系列新突破。 他們研制出國際最薄、厚度僅0.3毫米（相當于雞蛋殼的厚度）的超薄柔性熱電器件，打造出能“穿”在身上的發(fā)電機，能直接利用人體與環(huán)境的微小溫差發(fā)電。 團隊開發(fā)出柔性溫度傳感陣列，溫度每變化1攝氏度，傳感器電阻就會產生4.7%的明顯變化。在人體健康監(jiān)測中，該傳感器件可以長期貼合皮膚進行連續(xù)監(jiān)測，有望應用于局部炎癥精準檢測或血液循環(huán)異常實時監(jiān)測。 團隊還研制出可“彎折”的存儲與計算芯片，未來手機的存儲芯片可以像膠片一樣卷曲。 目前，系列成果開始走向產業(yè)化。2024年，上海硅酸鹽所將11項與塑性無機半導體相關的專利轉讓給中科玻聲科技（溧陽）有限公司，開展成果轉移轉化，產品應用場景包括光模塊精確控溫、芯片散熱、自取能傳感器電源等。 “實驗室做幾克樣品與工廠生產幾公斤產品，完全是兩回事�！背瘗i飛說，“成果轉化過程中，如何在材料規(guī)�；a的同時，保持實驗室小批量樣品的高性能是最大難題。我們和企業(yè)技術人員深度合作，針對樣品的均勻性、重復性等開展大量試驗研究，提取了規(guī)�；^程中影響性能的關鍵因素，最終解決了這一轉化應用之路上的關鍵問題�！� 史迅表示，當前主流的半導體都起源于歐美發(fā)達國家，團隊創(chuàng)造的“中國牌”無機半導體，對我國在半導體材料領域的自主可控和技術突圍具有重要意義。“我們將逐步發(fā)現(xiàn)和拓展更多塑性無機半導體種類，助推塑性無機半導體向柔性電子皮膚、植入式醫(yī)療器件、腦機接口、極端環(huán)境探測等新場景拓展應用�！� 《中國科學報》(2026-02-03 第1版 要聞) |
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