中國科學院上海硅酸鹽研究所史迅研究員、陳立東院士團隊,聯合上海交通大學魏天然教授團隊,發現一類特殊的脆性半導體在500K下具有良好的塑性變形和加工能力,并建立了與溫度相關的塑性物理模型,在半導體中實現了類似金屬的塑性加工工藝,為豐富無機半導體加工制造技術、拓展應用場景提供了重要支撐。近日,相關研究成果發表于《自然-材料》。

半導體材料具有豐富可調的功能特性,但在室溫下加工成本高、工藝流程復雜,依賴于一系列精細制備和精密加工技術。近年來,研究人員陸續發現了一些宏觀尺度具有室溫塑性的無機半導體材料,但具有室溫塑性的半導體材料種類仍極為稀缺,物理性能無法滿足半導體行業廣泛的應用需求。

研究團隊發現,一系列典型的窄禁帶無機半導體可在略高于室溫的條件下進行輥壓軋制、平板壓、擠壓等塑性“溫加工”,且加工后的材料保留了塊體優良的物理性能。系列實驗證明,塑性溫加工方法在制造高質量半導體膜方面具有優勢,能夠避免襯底帶來的各種限制和額外成本;在微米至毫米范圍內自由調控薄膜厚度;薄膜結晶性好、元素分布均勻,很好繼承了塊體材料優異可調的物理性能。

微結構分析表明,此類材料在略高于室溫下發生的塑性變形主要由晶粒重整變形以及晶格扭轉畸變引起。研究團隊進一步提出了變溫塑性模型,用于計算與預測無機非金屬材料的韌脆轉變溫度,且結論與實驗數據吻合。

研究團隊表示,塑性溫加工方法獲得的高性能自支撐半導體在電子和能源器件方面有廣闊的應用前景。以熱電能量轉換為例,研究團隊選取了3種高性能熱電材料的輥壓薄片,研制了兩種面外型薄膜熱電器件,兩種器件的最大歸一化功率密度約為先前報道的同類基薄膜熱電器件的兩倍。

相關論文信息:https://doi.org/10.1038/s41563-025-02223-9

(原載于《中國科學報》?2025-05-07?第1版?要聞)