科研动态|材料创新设计中心成功设计出可冷轧加工的无机半导体
2022-08-30 19:39:20

柔性电子器件在可穿戴设备、柔性显示器、电子纸等场景中有广泛应用,因而近年来受到大家的关注。无机半导体材料,由于其优越的电学性能,在许多柔性电子器件中不可或缺。然而,这些柔性电子器件往往需要大面积、高质量、可变形的薄片材料,这对通常是脆性材料的无机半导体来说,制备加工是一个巨大的挑战。从无机半导体体相材料上剥离得到的薄片通常尺寸非常小、易碎、一致性难以保证,阻碍了其在柔性电子领域的应用。因而,当前迫切需要研发出具有良好塑性、易加工的无机半导体材料。近期,中科院上海硅酸盐研究所在寻找具有良好可变形性的无机半导体材料方面做出了重要贡献,先后发现了α-Ag2S和β-InSe两种具有塑性的无机半导体材料。而该类材料在机械加工时是否能够保持结构的完整性而不发生断裂尚待进一步探索。

图1. III-VI族无机半导体材料的辊压加工与“可变形性-断裂韧性”地图

近期,西安交通大学材料创新设计中心(CAID)张伟教授与马恩教授团队在该方向取得了重要进展。团队对单晶β-InSe体相样品进行了室温下的辊压实验,结果表明单晶InSe虽然具有可变形性,但经历冷轧后,材料表面出现了较多裂纹。为了指导如何才能改善该类材料抵抗断裂的能力,研究团队对β-InSe的同族化合物(III-VI族化合物)进行了系统的理论计算与化学成键分析,提出可通过组分合金化设计对该类材料的层间和层内化学键强度进行调控,从而改变材料的层间滑移能和解离能以及层内的断裂韧性,最终调控材料的可变形性和抗断裂性能。并基于理论计算结果,构建了该类材料的“可变形性-断裂韧性”地图(图1)。该图表明III-VI族化学物均具有与β-InSe相近的可变形特性,但其断裂韧性随组成元素的不同而表现出较大差异。其中,GaSe具有远大于InSe的理论断裂韧性。该理论预测结果得到了辊压实验的证实(图2):在同样的辊压实验条件下,辊压后的GaSe样品表面裂纹非常有限,其密度即单位面积上观察到的裂纹数量远小于InSe。据此设计和实验,证明了GaSe材料是一种良好的可冷轧加工的无机半导体材料,并提出可通过向InSe中掺杂Ga的方式进一步提升InSe的抗断裂能力。此外,研究团队还对该类材料的电学和热电性质进行了预测,构建了相应的材料性能地图,可指导今后该类材料的合金化设计,以平衡、调控合金的力学、电学和热电等性能,用于不同的实际应用场景。

图2. InSe和GaSe样品室温辊压前后的形状变化以及冷轧后的表面扫描电镜表征

相关工作以“Designing Inorganic Semiconductors with Cold-Rolling Processability”为题发表于Advanced Science9, 2203776 (2022)。西安交通大学金属材料强度国家重点实验室材料创新设计中心为本工作的第一作者单位与通讯作者单位。

文章链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202203776

编辑:吴国娇