中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所史迅研究員、陳立東院士團(tuán)隊(duì),聯(lián)合上海交通大學(xué)魏天然教授團(tuán)隊(duì),發(fā)現(xiàn)一類特殊的脆性半導(dǎo)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(guān)的塑性物理模型,在半導(dǎo)體中實(shí)現(xiàn)了類似金屬的塑性加工工藝,為豐富無(wú)機(jī)半導(dǎo)體加工制造技術(shù)、拓展應(yīng)用場(chǎng)景提供了重要支撐。近日,相關(guān)研究成果發(fā)表于《自然-材料》。

半導(dǎo)體材料具有豐富可調(diào)的功能特性,但在室溫下加工成本高、工藝流程復(fù)雜,依賴于一系列精細(xì)制備和精密加工技術(shù)。近年來(lái),研究人員陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一些宏觀尺度具有室溫塑性的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料,但具有室溫塑性的半導(dǎo)體材料種類仍極為稀缺,物理性能無(wú)法滿足半導(dǎo)體行業(yè)廣泛的應(yīng)用需求。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),一系列典型的窄禁帶無(wú)機(jī)半導(dǎo)體可在略高于室溫的條件下進(jìn)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(yōu)良的物理性能。系列實(shí)驗(yàn)證明,塑性溫加工方法在制造高質(zhì)量半導(dǎo)體膜方面具有優(yōu)勢(shì),能夠避免襯底帶來(lái)的各種限制和額外成本;在微米至毫米范圍內(nèi)自由調(diào)控薄膜厚度;薄膜結(jié)晶性好、元素分布均勻,很好繼承了塊體材料優(yōu)異可調(diào)的物理性能。

微結(jié)構(gòu)分析表明,此類材料在略高于室溫下發(fā)生的塑性變形主要由晶粒重整變形以及晶格扭轉(zhuǎn)畸變引起。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步提出了變溫塑性模型,用于計(jì)算與預(yù)測(cè)無(wú)機(jī)非金屬材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度,且結(jié)論與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合。

研究團(tuán)隊(duì)表示,塑性溫加工方法獲得的高性能自支撐半導(dǎo)體在電子和能源器件方面有廣闊的應(yīng)用前景。以熱電能量轉(zhuǎn)換為例,研究團(tuán)隊(duì)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(bào)道的同類基薄膜熱電器件的兩倍。