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“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 ]
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