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

  • 重庆巴南:“花海经济”扮靓乡村

  • 浙江:智能装备“上岗”市域铁路施工

独家策划

推荐阅读
杂交稻的大面积推广显著提升了水稻产量,但其生产长期依赖程序复杂、成本高昂且需年年重复的杂交制种过程。
2026-03-23 09:40
近日,澳大利亚一位机器学习领域科技企业家,通过人工智能大模型自行设计肿瘤疫苗,救治自家患癌宠物犬的故事广受关注。
2026-03-23 09:39
记者从中国石化获悉,我国首套全链条国产化溶液法聚烯烃弹性体工业化装置在天津进入试运行,相关生产技术取得原创性突破,将有效缓解我国光伏等战略性新兴产业对该材料的进口依赖。
2026-03-23 09:33
中国气象局日前发布了2025年度“中国十大气象科技进展”。3年来,评选工作有效推动气象科技成果涌现,助力资源共建共享,大力弘扬科学家精神,促进气象教育科技人才一体推进,持续激发科技能力和人才活力。
2026-03-23 09:32
3月22日是第三十四个“世界水日”,第三十九个“中国水周”同步开启。以非常规水利用为例,我国近年来在农业节水增效、工业节水减排、城镇节水降损等领域取得显著成效。
2026-03-23 09:28
“遥感是人们在距离和感官上的延伸,是认知地球、探查资源、监测环境的重要技术手段。本次活动由全国科学道德和学风建设宣讲教育领导小组主办,中国科协科学技术传播中心、湖南省科学技术协会、中南大学、光明网联合承办。
2026-03-20 09:42
每年春季,花粉过敏会给不少人带来困扰。该检测试剂盒采用微量血清特异性洋白蜡花粉过敏原IgE定量检测,用以辅助诊断,成为目前用于花粉症精准诊断的主要方法。
2026-03-20 09:39
3月18日,记者从新疆电力交易中心有限公司获悉,自2010年启动“疆电外送”以来,新疆累计外送新能源电量已达3043.6亿千瓦时,约占总外送电量的三成。
2026-03-20 09:39
吕小康:从现实语义上看,情感AI既指能够识别、理解、模拟和响应人类情感的人工智能技术,也指基于这类技术设计和开发的情感智能体。吕小康:为引导青年群体健康使用情感AI,还需要进一步加强协同治理,培育积极有益的陪伴型人工智能应用环境。
2026-03-20 09:36
据3月17日农情调度,全国早稻育秧已三成半,同比略快。据介绍,北方冬小麦当前的田管重点是继续促进弱苗转化升级,抓好病虫防控,防范春旱、倒春寒、干热风等灾害。“近日国家启动投放1000余万吨氮磷及复合肥储备,作为国家化肥储备重要承储主体,全国供销合作社系统农资企业积极按要求将储备化肥及时集中投放市场,稳定市场价格。
2026-03-20 09:36
小时候我们背过一句话:万物由原子组成。这一路走来,从质子的异常,到夸克模型的提出,再到量子色动力学和标准模型的建立,人类把物质拆解到了17种基本粒子的层级。曾获国家六部委回国人员成就奖、德国洪堡研究奖、吴有训物理奖、中国科学院优秀研究生导师奖。
2026-03-20 09:35
吴晓民(右一)团队在野外工作。藏羚羊曾广泛分布于高原全境,其漫长的演化史与复杂的种群波动,始终是全球动物保护与演化生物学领域关注的焦点。研究团队还通过生态位模拟,锁定了藏羚羊的生命庇护所——青藏高原北部的可可西里、羌塘高原等区域。
2026-03-19 10:11
通知明确,各城市群应优先选择具备条件的燃料电池汽车、绿色氨醇、氢基化工原料替代、氢冶金以及掺氢燃烧等应用场景开展试点,积极探索氢能创新应用场景,形成“1个燃料电池汽车通用场景+N个工业领域应用场景+X个创新应用场景”的氢能综合应用生态。通知要求,氢能综合应用试点以城市群为主体开展申报,城市群应立足自身资源条件,因地制宜、宜氢则氢,避免各场景一拥而上、低水平重复建设。
2026-03-19 10:10
2026中关村论坛年会将于3月25日至29日在北京举办。
2026-03-19 10:04
日前发布的《中国地热产业发展报告2025》显示,我国地热产业多元化利用格局正在形成。在地热供暖发展带动下,我国地热产业规模长期稳居世界第一。
2026-03-19 10:00
由于土豆块茎外形粗陋、埋于地下,又不见于《圣经》,一度被殖民者视为“魔鬼之根”或带毒之物。另一方面,随着城市扩张与人口增长,粮食压力加剧,土豆因高产、耐寒、适宜在小块土地种植而被人们重视。
2026-03-19 10:00
作者:刘琦 仇焕广(分别系中国人民大学助理教授,辽宁大学党委常委、副校长)  今年《政府工作报告》提出,“推进先进适用农机装备研发应用,打通农业科技推广‘最后一公里’”。
2026-03-19 09:59
为此,生态环境法典针对重点流域、重要生态单元设置专门规范,明确长江、黄河等重点区域一体化保护要求,建立协同机制。生态环境法典第三编第六章“生态退化的预防和治理”,整合水土保持法、防沙治沙法的有关规定,分为水土保持、防沙治沙两节。
2026-03-18 09:38
“‘两弹一星’不是孤立的科技突破,而是面向国家需求‘从0到1’的科技创新。本次活动由全国科学道德和学风建设宣讲教育领导小组主办,中国科协科学技术传播中心、安徽省科学技术协会、安徽农业大学、光明网联合承办。
2026-03-18 09:27
对于1型糖尿病患者而言,胰腺中那些负责分泌胰岛素、调节血糖的胰岛β细胞,被自身免疫系统错误地当成了“入侵者”,日复一日地遭受攻击,直至彻底损毁。这3个病例,分别代表中国乃至全球再生医学领域的3个“首次”——世界首例自体、中国首例异体、世界首例青少年再生胰岛移植治疗1型糖尿病。
2026-03-18 09:27
加载更多