点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:“破界”之材!“中国牌”无机半导体来了
首页> 光明科普> 焦点新闻 > 正文

“破界”之材!“中国牌”无机半导体来了

来源:中国科学报2026-02-03 09:38

  塑性无机半导体(左)和柔性热电器件。仲鹤/摄

  ■本报记者 王昊昊

  刚则易碎、柔则失“性”,这是有关材料的一道经典难题。尤其在半导体领域,卓越的电学、光学性能总与机械脆性相伴,如同鱼与熊掌,难以兼得。

  10多年前,一块砸不碎、摔不烂的材料,让中国科学院上海硅酸盐研究所(以下简称上海硅酸盐所)研究员史迅科研团队的实验短暂遇阻。但这个技术障碍,意外叩开了材料科学领域一扇全新的大门。

  10多年过去,他们在国际上率先发现塑性无机半导体,实现该领域“从0到1”的突破,创造出“中国牌”无机半导体,打破了金属与无机非金属的传统边界,并初步开展产业应用研究。近日,史迅团队凭借“塑性无机半导体”系列原始创新,荣获2025年度中国科学院杰出科技成就奖基础研究奖。史迅为成果第一完成人,中国科学院院士、上海硅酸盐所研究员陈立东是第二完成人。

  打破“刚”的特性5年没有放弃“顽固”材料

  2013年,史迅、陈立东团队联合开展热电半导体材料相关研究。“实验过程中,一名研究生发现有种常规的热电陶瓷材料怎么都砸不碎,也摔不烂。”史迅说。这个技术难题让研究生很苦恼,因为如果该材料无法粉碎与烧结,就没法开展后续研究。

  为了不耽误科研进度,研究人员通常会考虑换材料,但史迅没有这么做。“我总对一些稀奇古怪的材料、现象感兴趣。常规陶瓷材料是脆的,为什么这个材料如此反常?”他立马来了兴趣。在上海硅酸盐所读博时,史迅就师从陈立东,因此在察觉到这其中或许存在有趣的科学问题后,便和陈立东多次探讨,带着系列疑问开启相关研究。

  彼时,柔性电子引起广泛关注并迅速发展,被认为有可能带来一场电子技术革命。但无机非金属材料尤其是半导体均为脆性材料,在大弯曲、大变形以及拉伸状况下,极易发生断裂进而导致器件失效。而有机半导体电学性能可调范围较小,无法满足半导体工业蓬勃发展的需求。

  “砸不碎、摔不烂,意味着其力学行为不同于类似的材料。”史迅团队对该材料的力学特性展开研究,但过程并不顺利。

  几年过去,研究生换了两名,研究还是未见起色。“如果很长时间不出成果,容易打击科研新人的信心,因此两名学生最后去研究简单一些的材料体系了。”但史迅总是不甘心,在“主业”热电材料研究频出成果的同时,他没放弃这个有点像“副业”的方向。

  随着新一批学生的加入,研究越来越深入,团队逐渐解析清楚了这一材料。原来,这个“顽固”的材料是硫化银(α-Ag2S)。2018年,团队在《自然-材料》上发表相关成果,宣布发现首个可弯曲拉伸无机半导体材料α-Ag2S。

  紧接着,团队又于2020年在《科学》发表成果,发现硒化铟(InSe)单晶材料也砸不碎、摔不烂,甚至可叠成纸飞机的形状。Ag2S多晶和InSe单晶在块体形态下具有类似金属的良好塑性,可被大幅弯曲、折叠、扭转而不破碎,最大压缩应变近80%,弯曲应变超过20%,拉伸应变超过15%。

  终于,他们叩开了一扇通往新材料世界的大门。团队开辟了塑性无机半导体这一全新研究方向,实现该领域“从0到1”的突破,打破了金属与无机非金属材料的传统性能边界,让“跨界新材料”的诞生成为可能。

  揭开“柔”的奥秘从“一枝独秀”到“百花齐放”

  Ag2S和InSe是特例,还是代表着一类未被发掘的材料家族?能否主动预测和寻找新的塑性半导体材料?

  为此,团队迈出“从1到10”的关键一步,建立预测模型,创造性地提出了塑性变形因子这一理论模型。该因子综合了3个关键参数,即衡量抗开裂能力的“解理能”、决定滑移难易的“滑移能垒”以及反映材料刚度的“杨氏模量”。3个参数如同一个材料的塑性体检报告指标,能快速评估其塑性潜能。

  有了理论工具,团队借助高通量计算,开启了大规模筛选。他们建立了自动化计算流程,从3451种硫族化合物中进行“海选”。面对如何确保计算准确性、建立可靠判据等难题,团队通过反复验证和优化,最终将目标范围大幅缩小至20余种重点候选材料。

  “这一大规模筛选过程中,主要技术难点在于如何确保计算模型的准确性、可靠性,并与宏观性能建立有效关联。”团队成员、上海硅酸盐所副研究员高治强介绍,团队建立了标准化的计算方案以确保不同材料数据之间的可比性,并通过在已知塑性材料上进行反复验证,最终发现了多种新型塑性半导体。

  随后,团队成功验证了二硫化钼、硒化锡等7种新型塑性二维无机半导体。材料家族的“扩编”,证明了塑性并非个例,而是一种可能具有普适性的新特性。

  更大的挑战在于改造那些性能优异但本性“脆弱”的经典材料。热电领域“明星材料”碲化铋(Bi2Te3)性能优越但极易碎,团队通过调制反位缺陷诱导形成高密度、多样化微结构,实现该材料脆性-塑性转变。相关成果于2024年发表于《科学》。

  “我们给Bi2Te3做了一场微观织构重构手术。”上海硅酸盐所研究员仇鹏飞说,这些微结构像无数个微小的“缓冲关节”和“能量耗散器”,能有效阻碍裂纹的扩展,并将外部施加的机械应力通过自身可控的滑移或畸变吸收,从而使材料从脆性断裂转变为塑性变形,最终将压缩应变提升至80%,同时保持优异的热电性能。

  塑性无机半导体在室温下具有很好的性能,如何适应其他工作温度条件?

  解决材料塑性对温度的依赖问题尤为关键。为此,团队进一步建立了变温塑性模型,预测并验证了硒化铜、硒化银等8种塑性无机半导体材料,发现它们在400至500K温度条件下,仍能表现出优良塑性,像金属一样,通过温加工实现塑性变形与精密成型。

  “我们实现了从偶然发现个例到建立普适理论预测模型、设计改造材料的过程,让塑性无机半导体有了可供探索和设计的丰富材料库。”史迅表示。

  开拓“韧”的赛道要性能更要用武之地

  具备塑性解决了“能用”的问题,但对功能材料而言,“好用”才是终极目标。

  “功能半导体材料只追求力学塑性无实际意义,塑性是使用前提,要使材料适配柔性场景以及复杂几何形态,功能才是核心价值,因此需要兼顾塑性和热电、传感等功能特性。”上海硅酸盐所副研究员杨世琪说。

  团队在对Ag2S材料体系的研究中发现了一个奇妙的“过渡区”。在这个区域,材料的原子排列处于“左右逢源”的微妙状态,既保留了使其柔韧的化学键网络,又获得了更优的导电特性。有了这一发现,团队像调制精密配方一样,通过同时添加极微量的铜、硒、碲等各司其职的元素,使材料拉伸应变提升至与金属相当的100%时,其热电转换效率提升数个量级。

  基于高性能塑性功能材料,团队又实现了一系列新突破。

  他们研制出国际最薄、厚度仅0.3毫米(相当于鸡蛋壳的厚度)的超薄柔性热电器件,打造出能“穿”在身上的发电机,能直接利用人体与环境的微小温差发电。

  团队开发出柔性温度传感阵列,温度每变化1摄氏度,传感器电阻就会产生4.7%的明显变化。在人体健康监测中,该传感器件可以长期贴合皮肤进行连续监测,有望应用于局部炎症精准检测或血液循环异常实时监测。

  团队还研制出可“弯折”的存储与计算芯片,未来手机的存储芯片可以像胶片一样卷曲。

  目前,系列成果开始走向产业化。2024年,上海硅酸盐所将11项与塑性无机半导体相关的专利转让给中科玻声科技(溧阳)有限公司,开展成果转移转化,产品应用场景包括光模块精确控温、芯片散热、自取能传感器电源等。

  “实验室做几克样品与工厂生产几公斤产品,完全是两回事。”仇鹏飞说,“成果转化过程中,如何在材料规模化生产的同时,保持实验室小批量样品的高性能是最大难题。我们和企业技术人员深度合作,针对样品的均匀性、重复性等开展大量试验研究,提取了规模化过程中影响性能的关键因素,最终解决了这一转化应用之路上的关键问题。”

  史迅表示,当前主流的半导体都起源于欧美发达国家,团队创造的“中国牌”无机半导体,对我国在半导体材料领域的自主可控和技术突围具有重要意义。“我们将逐步发现和拓展更多塑性无机半导体种类,助推塑性无机半导体向柔性电子皮肤、植入式医疗器件、脑机接口、极端环境探测等新场景拓展应用。”

  《中国科学报》 (2026-02-03 第1版 要闻)

[ 责编:田新宇 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 海河畔新空间激活夏日夜消费

  • 2026屈原故里端午诗会举行

独家策划

推荐阅读
历时8年、由全球多个机构38位科学家共同完成的一项国际研究发现,线粒体并非通过简单扩散为细胞核提供能量,而是铺设“专线”供能,即通过一种此前未知的直接物理连接将能量分子定向输送至细胞核。
2026-06-18 10:33
近日,2026年上海国际养老、辅具及康复医疗博览会落幕。本次展会直观印证,人工智能既是夯实基础养老保障的务实抓手,更是释放银发经济增长潜力的核心引擎。
2026-06-18 10:32
奇索姆不会中文,叶子不会英文,但这并没有妨碍两人在短短几分钟内就交上了朋友,她们的“秘密武器”正是人工智能(AI)。
2026-06-18 10:29
高精度感知技术如何打破实验室的“围墙”,深度融入我们的日常生活?答案,就藏在量子科技与芯片工程的交汇点——让量子“住”进芯片。
2026-06-18 10:28
如各大顶尖研究型高校一样,数学学科的全球竞争力需要长期稳定的支持,时间会证明数学研究和人才培养的后劲十足。
2026-06-18 10:24
与依赖相对固定会话管理结构的传统5G核心网络不同,新技术引入AI驱动的预测与控制能力,可根据不同业务需求实时优化会话管理、数据传输路径和服务质量,实现网络资源的动态调度。未来,团队还计划开发支持低轨卫星通信的核心网与传输网融合技术,构建融合业务、计算和网络的新一代6G核心架构。
2026-06-17 09:32
荷兰阿姆斯特丹大学医疗中心研究人员宣布,他们开展的全球首例针对遗传性疾病的体内CRISPR疗法三期临床试验取得成功。这把“剪刀”,为许多遗传性疾病患者剪开了新天地,预示着遗传病治疗或将从“延缓病情”迈向“治愈疾病”的新时代。
2026-06-17 09:28
交通运输是维系国民经济运行的重要基础,在碳排放总量中,交通运输领域占比高、减排难度大。针对水路运输降碳难题,我国正聚焦核心技术攻坚、示范船舶落地、配套体系完善,多措并举突破行业绿色转型壁垒。
2026-06-17 09:23
未来产业培育周期长、市场风险大,单一政策工具难以奏效,必须构建覆盖全生命周期、多元主体协同发力的政策矩阵。未来产业发展涉及面广、风险点多、迭代速度快,必须突破条块分割,构建集中统一、协同高效、安全可控的现代化治理体系。
2026-06-17 09:18
深海水虱是一种生活在深海的巨型甲壳动物,在缺乏稳定食物供给的情况下可存活五年之久。深海环境黑暗、寒冷、食物极度匮乏,如何克服寡营养环境对生存的威胁是深海生物面临的最大挑战。
2026-06-17 09:15
韩国首尔国立大学工程学院科学家研制出一款高性能有机发光二极管,集成了高导电性透明金属电极,透光率超过93%,有望在先进显示器等众多领域大显身手。所得器件兼具优异的透明度与电致发光性能,底层的有机层也安然无恙,充分彰显出该技术在下一代透明显示应用中的巨大潜力。
2026-06-16 09:27
《自然·医学》杂志15日报道了一种皮质内脑机接口(BCI)突破。该参与者累计使用该系统超过3800小时,共发出183060个句子(近200万词),平均每分钟56词,其中92%的句子被评定为“基本正确”或更佳。
2026-06-16 09:26
未来产业是科技创新和产业创新深度融合的产物,是技术突破催生的全新赛道,对于发展新质生产力具有先导性、引领性作用。未来产业的根基在于创新,没有源头创新,就没有未来产业的萌芽;没有持续创新,就没有未来产业的壮大。统筹科技自立自强与全球创新合作是夯实未来产业发展根基的关键。
2026-06-16 09:25
随着高密度发射成为常态,力箭一号火箭控制系统逐步实现软、硬件产品全链路自主可控。“目前,箭上配套设备缩减50%,地面设备削减80%,火箭电测周期由原来的1个月压缩到1周以内。
2026-06-16 09:23
作者:尚俊杰、王淑文(分别系北京大学教育学院副院长兼学习科学实验室执行主任、中国高等教育学会学习科学研究分会常务副理事长兼秘书长;将学习科学的研究成果深度融入AI教育系统的设计、开发与应用全过程,是提升教育质量、避免技术滥用的关键。
2026-06-16 09:22
数据显示,今年4月,中国汽车出口继续保持快速增长,同比增长超过70%,其中,新能源汽车表现最为亮眼,当月出口43万辆,环比增长16%,同比增长约110%。在海外社交媒体上爆火的“中国汽车”标签,以一种独特的方式为中国的全球气候治理贡献写下新注脚。
2026-06-16 09:17
随着人工智能技术的不断突破和应用场景的加速拓展,AI相关领域人才需求攀升将成为未来较长一段时间内劳动力需求的重要趋势特征。企业作为劳动力市场的需求主体,也应主动应对AI技术变革,推动内部数字化转型,提升生产效率。
2026-06-15 09:17
智能经济带来的技术提升,不是对传统产业的简单替代,而是通过“人工智能+”行动实现全方位赋能。面对全球人工智能治理规则正在形成的窗口期,我国既要在技术上对标一流,更应在治理上贡献智慧,助力全球AI治理变革。
2026-06-15 09:16
过了芒种,在河南省获嘉县照镜镇樊庄村,村民宋其文家里的麦田已开镰,但他不慌不忙,心里稳得很。宋其文感受到的智慧灌溉来源于水肥一体机搭载的作物高效用水智能决策系统,在那里,天空地数据持续搜集,不断优化生成实时灌溉决策方案。
2026-06-15 09:16
在率先落地的机器人、数字人营业性演出场景中,符合条件的经营主体可将机器人、数字人作为演职人员纳入管理范畴。”  北京经开区有关负责人表示,下一步将持续优化试点流程、稳步扩大试点范围,做到放而不乱、管而有序、服务到位,全力扶持新业态、培育新主体、壮大新产业。
2026-06-15 09:15
加载更多