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工程与材料科学部

    我国学者在无机塑性半导体研究领域取得进展

    日期 2020-08-07   来源:工程与材料科学部   作者:陈克新 熊杰  【 】   【打印】   【关闭


      在国家自然科学基金项目(批准号:51625205、91963208、51961135106、51902249)等资助下,上海交通大学与中国科学院上海硅酸盐研究所史迅、陈立东团队等在无机塑性半导体研究领域取得进展。研究成果以“单晶InSe半导体的超常塑性(Exceptional plasticity in the bulk single crystalline van der Waals semiconductor InSe)”为题,于2020年7月31日在线发表在《科学》(Science)杂志上。论文链接为:https://science.sciencemag.org/content/369/6503/542。

      长期以来,无机塑性半导体的研究几乎是一个空白。此前,该团队首次发现半导体材料硫化银(Ag2S)具有与许多金属材料相媲美的塑性变形能力(Nature Materials, 2018),并通过掺杂/固溶等途径使其兼具良好塑性变形能力和热电性能(Energy & Environmental Science, 2019),从而开辟了无机塑性半导体材料全新的研究方向。

      单晶硒化铟(InSe)是继Ag2S后发现的第二个具有超常塑性的无机半导体。该研究发现,与薄层材料常见的弹性变形不同,二维结构单晶InSe在块体形态下可以弯折、扭曲而不破碎,甚至能够折成“纸飞机”,弯成莫比乌斯环、螺旋圈形状,表现出罕见的大变形能力。非标力学试验表明,其压缩工程应变可达80%,特定方向的弯曲和拉伸工程应变也高于10%。进一步研究发现,InSe单晶块体的塑性变形主要来自层间的相对滑动和跨层的位错滑移,这与其特殊的层内和层间作用力密切相关。层内本质非常“柔软”,较易发生弹性弯曲;相邻层间除了范德华力之外,还存在着长程库伦力;这些多重、非局域的弱作用力一方面容忍层间的相对滑移,另一方面又像“胶水”一样把相邻的层“粘合”起来,阻止材料发生解理,也保证了位错的跨层滑移。最后,该研究提出了一个材料变形因子,为新型塑性和可变形半导体的筛选提供了判据。

      InSe单晶块体超常塑性及其机制的发现,丰富了无机塑性半导体的材料体系和科学内涵,为柔性和可变形电子、能源器件开发提供了新的选择。

     

    (A)InSe的晶体结构

    (B-D)样品可折叠或弯曲成“纸飞机”、莫比乌斯环、螺旋圈形状而不破裂

    (E-F)沿c轴与垂直c轴方向的压缩应力-应变曲线及压缩前后样品照片

    图. InSe单晶块体的超常塑性