“总对怪象感兴趣！”一块摔不碎的样品，打开材料世界新大门

从坚硬的手机芯片到脆弱的太阳能电池板

无机半导体这个信息时代的“基石”

始终被封印在“脆如玻璃”的躯壳里

想要卓越性能，就必须放弃柔韧

渴望弯曲折叠，就只能牺牲稳定

这道“鱼与熊掌”的单选题

始终没有最优答案

10多年前，中国科学院上海硅酸盐研究所

研究员史迅团队

在实验中遇到一块“顽固”的材料

它砸不碎、摔不烂、磨不破

然而，这个实验室里遇到的“小麻烦”

却意外打开一扇材料世界的新大门

史迅（右一）和团队成员探讨科学问题。

仲鹤/摄

“我总对一些稀奇古怪的现象感兴趣。”

史迅团队没有选择绕过这个“小麻烦”

反而决定钻钻牛角尖

这一钻，就是5年

研究生换了两名，主流方向成果频出

但这个有点像“副业”的方向始终没被放下

直到2018年

他们在《自然-材料》上发表研究成果

宣布发现首个可弯曲拉伸无机半导体材料

硫化银（α-Ag2S）

原来，这个“顽固”的材料就是α-Ag2S

从“独苗”到“家族”

一次偶然的发现是惊喜

但科学探索不会止步于个别现象

团队决定从“发现者”变“设计者”

他们创立了塑性变形因子模型

为材料的韧性潜力制定“体检标准”

借助高通量计算

对3451种硫族化合物进行“海选”

成功为材料家族“扩编”

持续探索让塑性无机半导体

有了可供探索和设计的丰富材料库

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

团队给它做了一台微观织构重构手术

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（左）和柔性热电器件。

仲鹤/摄

塑性无机半导体在室温下有很好的性能

如何适应其他工作温度条件？

为此，团队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

仍表现出的优良塑性

使它们能像金属一样

通过温加工进行塑性变形与精密成型

让材料变软，只是第一步

“好用”才是终极目标

团队必须完成高难度的“平衡术”

在提升柔韧性的同时

不牺牲其导电、热电等核心性能

他们发现了材料中奇妙的“过渡区”

并像调配精制药剂一样

加入微量的不同元素进行协同调控

最终让材料在变得像金属一样柔韧的同时

热电转换效率提升多个数量级

基于这些“能屈能伸”、性能在线的材料

团队又实现系列新突破

比如厚度仅0.3毫米的超薄柔性热电器件

可以像创可贴一样贴在皮肤上

利用体温为微电子产品供电……

2024年，团队的11项核心专利完成转让

实验室的“克级”样品

正在走向工厂的“公斤级”量产

从光模块的精准控温

到联合企业探索研究可穿戴设备

这项始于“好奇心”的研究

正逐步打通从基础研究

到产业应用的“最后一公里”

当前主流半导体技术起源并发展于西方

而这支中国科学家团队

从最底层的材料科学问题出发

开创了全新的塑性无机半导体方向

实现了“从0到1”的原始创新

不仅破解了“刚柔不可兼得”的百年材料难题

更打造出“中国牌”半导体名片

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

作者： 王昊昊

来源：中国科学报

编辑：沈天姣、王祎涵(实习生)

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