米兰官网-“破界”之材！“中国牌”无机半导体来了—新闻—科学网

刚则易碎、柔则掉“性”，这是有关质料的一道经典难题。特别于半导体范畴，卓着的电学、光学机能总与机械脆性相伴，犹如鱼与熊掌，难以兼患上。

10多年前，一块砸不碎、摔不烂的质料，让中国科学院上海硅酸盐研究所（如下简称上海硅酸盐所）研究员史迅科研团队的试验短暂遇阻。但这个技能障碍，不测叩开了质料科学范畴一扇全新的年夜门。

10多年已往，他们于国际上率先发明塑性无机半导体，实现该范畴“从0到1”的冲破，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界限，并开端开展财产运用研究。近日，史迅团队依附“塑性无机半导体”系列原始立异，荣获2025年度中国科学院卓异科技成绩奖基础研究奖。史迅为结果第一完成人，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”的特征

5年没有抛却“顽固”质料

2013年，史迅、陈立东团队结合开展热电半导体质料相干研究。“试验历程中，一位研究生发明有种通例的热电陶瓷质料怎么都砸不碎，也摔不烂。”史迅说。这个技能难题让研究生很忧?，由于假如该质料没法破坏与烧结，就无法开展后续研究。

为了避免迟误科研进度，研究职员凡是会思量换质料，但史迅没有这么做。“我总对于一些八怪七喇的质料、征象感兴致。通例陶瓷质料是脆的，为何这个质料云云反常？”他立马来了兴致。于上海硅酸盐所读博时，史迅就师从陈立东，是以于察觉到这此中也许存于有趣的科学问题后，便及陈立东屡次切磋，带着系列疑难开启相干研究。

彼时，柔性电子引起广泛存眷并迅速成长，被认为有可能带来一场电子技能革命。但无机非金属质料特别是半导体均为脆性质料，于年夜弯曲、年夜变形以和拉伸状态下，极易发生断裂进而致使器件掉效。而有机半导体电学机能可调规模较小，没法满意半导体工业蓬勃成长的需求。

“砸不碎、摔不烂，象征着其力学举动差别在近似的质料。”史迅团队对于该质料的力学特征睁开研究，但历程其实不顺遂。

几年已往，研究生换了两名，研究还有是未见转机。“假如很永劫间不出结果，轻易冲击科研新人的决定信念，是以两论理学生末了去研究简朴一些的质料系统了。”但史迅老是不甘愿宁可，于“主业”热电质料研究频出结果的同时，他没抛却这个有点像“副业”的标的目的。

跟着新一批学生的插手，研究愈来愈深切，团队逐渐解析清晰了这一质料。本来，这个“顽固”的质料是硫化银（α-Ag2S）。2018年，团队于《天然-质料》上发表相干结果，公布发明首个可弯曲拉伸无机半导体质料α-Ag2S。

紧接着，团队又在2020年于《科学》发表结果，发明硒化铟（InSe）单晶质料也砸不碎、摔不烂，甚至可叠成纸飞机的外形。Ag2S多晶及InSe单晶于块体形态下具备近似金属的优良塑性，可被年夜幅弯曲、折叠、旋转而不破碎，最年夜压缩应变近80%，弯曲应变跨越20%，拉伸应变跨越15%。

终究，他们叩开了一扇通往新质料世界的年夜门。团队斥地了塑性无机半导体这一全新研究标的目的，实现该范畴“从0到1”的冲破，打破了金属与无机非金属质料的传统机能界限，让“跨界新质料”的降生成为可能。

揭开“柔”的秘密

从“桂林一枝”到“百花齐放”

Ag2S及InSe是特例，还有是代表着一类未被掘客的质料家族？可否自动猜测及寻觅新的塑性半导体质料？

为此，团队迈出“从1到10”的要害一步，成立猜测模子，创造性地提出了塑性变形因子这一理论模子。该因子综合了3个要害参数，即权衡抗开裂能力的“解理能”、决议滑移难易的“滑移能垒”以和反应质料刚度的“杨氏模量”。3个参数犹如一个质料的塑性体检陈诉指标，能快速评估其塑性潜能。

有了理论东西，团队借助高通量计较，开启了年夜范围筛选。他们成立了主动化计较流程，从3451种硫族化合物中举行“海选”。面临怎样确保计较正确性、成立靠得住判据等难题，团队经由过程重复验证及优化，终极将方针规模年夜幅缩小至20余种重点候选质料。

“这一年夜范围筛选历程中，重要技能难点于在怎样确保计较模子的正确性、靠得住性，并与宏不雅机能成立有用联系关系。”团队成员、上海硅酸盐所副研究员高治强先容，团队成立了尺度化的计较方案以确保差别质料数据之间的可比性，并经由过程于已经知塑性质料长进行重复验证，终极发明了多种新型塑性半导体。

随后，团队乐成验证了二硫化钼、硒化锡等7种新型塑性二维无机半导体。质料家族的“扩编”，证实了塑性并不是个例，而是一种可能具备普适性的新特征。

更年夜的挑战于在革新那些机能优秀但天性“懦弱”的经典质料。热电范畴“明星质料”碲化铋（Bi2Te3）机能优胜但极易碎，团队经由过程调制反位缺陷引诱形成高密度、多样化微布局，实现该质料脆性-塑性改变。相干结果在2024年发表在《科学》。

“咱们给Bi2Te3做了一场微不雅织构重构手术。”上海硅酸盐所研究员仇鹏飞说，这些微布局像无数个微小的“缓冲枢纽关头”及“能量耗散器”，能有用拦阻裂纹的扩大，并将外部施加的机械应力经由过程自身可控的滑移或者畸变接收，从而使质料从脆性断裂改变为塑性变形，终极将压缩应变晋升至80%，同时连结优秀的热电机能。

塑性无机半导体于室温下具备很好的机能，怎样顺应其他事情温度前提？

解决质料塑性对于温度的依靠问题尤为要害。为此，团队进一步成立了变温塑性模子，猜测并验证了硒化铜、硒化银等8种塑性无机半导体质料，发明它们于400至500K温度前提下，仍能体现出良好塑性，像金属同样，经由过程温加工实现塑性变形与周详成型。

“咱们实现了从偶尔发明个例到成立普适理论猜测模子、设计革新质料的历程，让塑性无机半导体有了可供摸索及设计的富厚质料库。”史迅暗示。

开拓“韧”的赛道

要机能更要用武之地

具有塑性解决了“能用”的问题，但对于功效质料而言，“好用”才是最终方针。

“功效半导体质料只寻求力学塑性无现实意义，塑性是利用条件，要使质料适配柔性场景以和繁杂几何形态，功效才是焦点价值，是以需要统筹塑性及热电、传感等功效特征。”上海硅酸盐所副研究员杨世琪说。

团队于对于Ag2S质料系统的研究中发明了一个奇奥的“过渡区”。于这个区域，质料的原子摆列处在“摆布逢源”的微妙状况，既保留了使其柔韧的化学键收集，又得到了更优的导电特征。有了这一发明，团队像调制周详配方同样，经由过程同时添加极微量的铜、硒、碲等各司其职的元素，使质料拉伸应变晋升至与金属相称的100%时，其热电转换效率晋升数个量级。

基在高机能塑性功效质料，团队又实现了一系列新冲破。

他们研制出国际最薄、厚度仅0.3毫米（相称在鸡蛋壳的厚度）的超薄柔性热电器件，打造出能“穿”于身上的发机电，能直接使用人体与情况的微小温差发电。

团队开发出柔性温度传感阵列，温度每一变化1摄氏度，传感器电阻就会孕育发生4.7%的较着变化。于人体康健监测中，该传感器件可以持久贴合皮肤举行持续监测，有望运用在局部炎症精准检测或者血液轮回异样及时监测。

团队还有研制出可“弯折”的存储与计较芯片，将来手机的存储芯片可以像胶片同样卷曲。

今朝，系列结果最先走向财产化。2024年，上海硅酸盐所将11项与塑性无机半导体相干的专利让渡给中科玻声科技（溧阳）有限公司，开展结果转移转化，产物运用场景包括光模块切确控温、芯片散热、自取能传感器电源等。

“试验室做几克样品与工场出产几千克产物，彻底是两码事。”仇鹏飞说，“结果转化历程中，怎样于质料范围化出产的同时，连结试验室小批量样品的高机能是最浩劫题。咱们及企业技能职员深度互助，针对于样品的匀称性、反复性等开展年夜量实验研究，提取了范围化历程中影响机能的要害因素，终极解决了这一转化运用之路上的要害问题。”

史迅暗示，当前主流的半导体都发源在泰西发财国度，团队创造的“中国牌”无机半导体，对于我国于半导体质料范畴的自立可控及技能突围具备主要意义。“咱们将慢慢发明及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、极度情况探测等新场景拓展运用。”