“破界”之材！“中国牌”无机半导体来了

　　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)