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      1. “超級半導體”:天黑請閉眼,我要變形了!

        來源:我是科學家iScientist日期:2022/7/11 瀏覽:0

              這世界上的萬千種材料,大體可以分成兩類——脆性的塑性的。我們可以將這兩類材料比作成“餅干”和“牛軋糖”。餅干是脆性的,一旦受力,容易折斷。牛軋糖則不然,受力后會先經過很大的變形,之后才會斷裂,這可以被稱為塑性。


              一種材料是“餅干型”還是“牛軋糖型”,很大程度上取決于本身的性質,包括構成元素、微觀結構和處理工藝等。比如,金子就是典型的“牛軋糖型”,它具有很好的延伸性,即便我們用錘子把金塊敲打成薄薄的金箔也不會破碎。此外,環境條件也可以影響到塑性和脆性。最典型例子的就是溫度。一般來說,溫度越低,材料越容易變脆——在冬天的東北,牛軋糖放在室外都可以直接掰斷。而硅材料,室溫下是脆性的,在750℃的高溫中,就會變成塑性。


              眾所周知,半導體材料在如今的電子領域扮演著至關重要的作用。手機、電腦、電視、收音機,這些與我們朝夕相處的電子產品都離不開半導體。在室溫下,常見的半導體材料大多是脆性的,而這種脆性極有可能導致器件失效。


              有沒有一種方法,來改善半導體的性能,把它從“餅干型”變成“牛軋糖型”呢?


              有,而且很簡單,那就是——“別照光”。


              最近,來自日本名古屋的科學家們,發現了黑暗的環境可以使一種半導體材料從脆性轉變為塑性,相關的報道發表在本周的《科學》(Science)雜志上[1]。


              本次的主角是硫化鋅(ZnS)。這種材料又叫閃鋅礦,是一種寶石。常見的閃鋅礦因為含有雜質,而顯現出黃色或棕色等色彩。純凈的閃鋅礦是透明的,在光電子器件中有廣泛應用。

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        作為寶石的硫化鋅,其中的黃色是因為含有微量金屬雜質,圖片來源:Patrickvoillot.com


              一般情況下,這種硫化鋅材料是典型的“餅干型”,受到外力時基本是“嘎嘣碎”。而研究者們發現,如果在完全黑暗的條件中對硫化鋅晶體進行力學測試,它卻能展現出非凡的“塑性”。


              實驗人員在室溫下,對硫化鋅施加了三種光照條件:一種是普通的白光,第二種是紫外光,第三種是完全黑暗。實驗結果顯示,在普通白光和紫外光的照射下,硫化鋅晶體表現的是常見的脆性——對材料施加足夠的力量,就會立即斷裂,甚至破碎。相反,如果在完全黑暗的環境中,發現硫化鋅晶體可以發生高達45%的變形量而不被破壞。也就是說,這塊小晶體雖然被壓扁了一半,卻仍然保持穩定。


              實際上,在其他一些半導體材料中,也發現過光照影響材料力學性能的例子。比如,有研究發現紫外線的照射可以讓一種特定半導體材料變硬,并用到專門的概念來描述這一現象,即所謂的“光塑性效應”[2]。然而,從沒有人意識到全黑的環境對材料的塑性影響如此之大。


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        (A)硫化鋅晶體,(B)在普通的光環境下,機械測試后晶體被粉碎性破壞,(C)在完全黑暗中, 硫化鋅晶體變得具有塑性。 圖片來源: Nagoya-u.ac.jp

              為什么會有如此神奇的現象?這就需要從微觀的層面進行解釋了。為了更好地幫助大家理解這個問題,我們需要先引入一個有趣的術語,名叫“位錯”。


              “位錯”,從字面來看是說位置錯了,在這里其實特指原子排列的位置發生錯誤。在金屬和半導體這些材料中,原子本來是按照特定方式規則排列的。而如果某個原子的位置發生了偏移,或者在某處丟失了一個原子,那么就會形成“位錯”。


              位錯理論的提出,源于材料學上一個長期存在的巨大疑問。


              1926年,蘇聯物理學家弗侖克爾計算發現,要想拉斷理想的金屬晶體,需要1~10千兆帕的應力——幾乎相當于1頭成年非洲象站在1平方厘米的面積上。而實際中測得的這些金屬的強度,僅為理論數值的千分之一。如此巨大的差異,讓科學家們一時摸不著頭腦。直到8年之后,三位不同國家的科學家,幾乎同時提出了位錯理論,才化解這一矛盾。


              原來,晶體其實并不像人們之前認為的那么完美,它們內部原子的排列會有局部的缺陷,而這些缺陷就形成了位錯。當材料受力的時候,這些位錯會發生移動,從材料的內部移動到表面(這一過程可以由下面的動圖表示)。對于完美的晶體,拉斷它們需要打斷橫截面上的所有原子。而對于有位錯的晶體,只要破壞位錯附近少數原子即可,因此所需的外加力量將大大降低[3]。



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        圖片來源: Corematerials

              位錯概念剛提出時,僅僅是一個初步的猜想。然而,它卻可以合理地解釋原來很多無法理解的實驗現象,因而得到很多學者的支持。隨著科技的發展,特別是先進顯微鏡技術的飛躍,人們終于可以觀測到原子級的微觀結構,最終證實了位錯的存在。


              再回到硫化鋅,受不同光照條件的影響,晶體中的電子會有不同的分布狀態。黑暗中的電子分布狀態有利于產生更多的位錯。而且,此時產生的位錯是“滑移型”,這種特殊的位錯形式使材料更容易發生變形。隨著這些原子級別的差異逐漸累積,在肉眼可見的尺度上,最終促成了硫化鋅晶體從“餅干”向“牛軋糖”的轉變。

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        掃描透射電子顯微鏡下觀察不同狀態硫化鋅中的位錯(A)原始樣品(B)黑暗中變形后的樣品,其中顏色較深的“蜿蜒細線”就是位錯??擅黠@看出黑暗中樣品的位錯更為密集。圖片來源:參考文獻[1]

              位錯的影響,還遠不止變形這么簡單。如果你觀察足夠仔細,會發現在黑暗中壓扁的硫化鋅,顏色由透明轉成了橙棕色。俗話說“相由心生”,晶體顏色往往也是其成分、微觀結構等深層次信息的外觀反映——大量的位錯其實引發了硫化鋅在電學、光學性質的改變,進而反映在了顏色改變上。


              科學家們在這項研究中不僅展示了硫化鋅的“變身大法”,揭示晶體力學性質的光敏特性,還為半導體設計提供新的思路——說不定未來的半導體加工制造過程,需要通過開燈不開燈來控制呢。


              看似平凡無奇的硫化鋅,都因蘊藏著超凡性質化身“超級半導體”。不知這世上的萬千種材料,還有多少奧秘等待發現。


        題圖來源:《變形金剛》劇照

        參考文獻:

        [1] Oshima Y., Nakamura, A., & Matsunaga, K. (2018). Extraordinary plasticity of an inorganic semiconductor in darkness. Science, 360(6390), 772-774

        [2] Yannopoulos, S. N., & Trunov, M. L. (2009). Photoplastic effects in chalcogenide glasses: A review. Physica Status Solidi (B), 246(8), 1773-1785.

        [3] 胡賡祥, 蔡珣, & 戎詠華. (2000). 材料科學基礎. 上海 上海交通大學出版.

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