物理

“超级半导体”:天黑请闭眼,我要变形了!

圆的方块 发表于  2018-05-24 10:41

这世界上的万千种材料,大体可以分成两类——脆性的塑性的。我们可以将这两类材料比作成“饼干”和“牛轧糖”。饼干是脆性的,一旦受力,容易折断。牛轧糖则不然,受力后会先经过很大的变形,之后才会断裂,这可以被称为塑性。

一种材料是饼干型还是牛轧糖型,很大程度上取决于本身的性质,包括构成元素、微观结构和处理工艺等。比如,金子就是典型的“牛轧糖型”,它具有很好的延伸性,即便我们用锤子把金块敲打成薄薄的金箔也不会破碎。此外,环境条件也可以影响到塑性和脆性。最典型例子的就是温度。一般来说,温度越低,材料越容易变脆——在冬天的东北,牛轧糖放在室外都可以直接掰断。而硅材料,室温下是脆性的,在750℃的高温中,就会变成塑性。

众所周知,半导体材料在如今的电子领域扮演着至关重要的作用。手机、电脑、电视、收音机,这些与我们朝夕相处的电子产品都离不开半导体。在室温下,常见的半导体材料大多是脆性的,而这种脆性极有可能导致器件失效。

有没有一种方法,来改善半导体的性能,把它从饼干型变成牛轧糖型呢?

有,而且很简单,那就是——“别照光”。

最近,来自日本名古屋的科学家们,发现了黑暗的环境可以使一种半导体材料从脆性转变为塑性,相关的报道发表在本周的《科学》(Science)杂志上[1]

本次的主角是硫化锌(ZnS)。这种材料又叫闪锌矿,是一种宝石。常见的闪锌矿因为含有杂质,而显现出黄色或棕色等色彩。纯净的闪锌矿是透明的,在光电子器件中有广泛应用。

作为宝石的硫化锌,其中的黄色是因为含有微量金属杂质,图片来源:Patrickvoillot.com

一般情况下,这种硫化锌材料是典型的“饼干型”,受到外力时基本是“嘎嘣碎”。而研究者们发现,如果在完全黑暗的条件中对硫化锌晶体进行力学测试,它却能展现出非凡的塑性

实验人员在室温下,对硫化锌施加了三种光照条件:一种是普通的白光,第二种是紫外光,第三种是完全黑暗。实验结果显示,在普通白光和紫外光的照射下,硫化锌晶体表现的是常见的脆性——对材料施加足够的力量,就会立即断裂,甚至破碎。相反,如果在完全黑暗的环境中,发现硫化锌晶体可以发生高达45%的变形量而不被破坏。也就是说,这块小晶体虽然被压扁了一半,却仍然保持稳定。

实际上,在其他一些半导体材料中,也发现过光照影响材料力学性能的例子。比如,有研究发现紫外线的照射可以让一种特定半导体材料变硬,并用到专门的概念来描述这一现象,即所谓的“光塑性效应[2]。然而,从没有人意识到全黑的环境对材料的塑性影响如此之大。

(A)硫化锌晶体,(B)在普通的光环境下,机械测试后晶体被粉碎性破坏,(C)在完全黑暗中, 硫化锌晶体变得具有塑性。 图片来源: Nagoya-u.ac.jp

为什么会有如此神奇的现象?这就需要从微观的层面进行解释了。为了更好地帮助大家理解这个问题,我们需要先引入一个有趣的术语,名叫“位错”。

“位错”,从字面来看是说位置错了,在这里其实特指原子排列的位置发生错误。在金属和半导体这些材料中,原子本来是按照特定方式规则排列的。而如果某个原子的位置发生了偏移,或者在某处丢失了一个原子,那么就会形成“位错”。

位错理论的提出,源于材料学上一个长期存在的巨大疑问。

1926年,苏联物理学家弗仑克尔计算发现,要想拉断理想的金属晶体,需要1~10千兆帕的应力——几乎相当于1头成年非洲象站在1平方厘米的面积上。而实际中测得的这些金属的强度,仅为理论数值的千分之一。如此巨大的差异,让科学家们一时摸不着头脑。直到8年之后,三位不同国家的科学家,几乎同时提出了位错理论,才化解这一矛盾。

原来,晶体其实并不像人们之前认为的那么完美,它们内部原子的排列会有局部的缺陷,而这些缺陷就形成了位错。当材料受力的时候,这些位错会发生移动,从材料的内部移动到表面(这一过程可以由下面的动图表示)。对于完美的晶体,拉断它们需要打断横截面上的所有原子。而对于有位错的晶体,只要破坏位错附近少数原子即可,因此所需的外加力量将大大降低[3]

图片来源: Corematerials

位错概念刚提出时,仅仅是一个初步的猜想。然而,它却可以合理地解释原来很多无法理解的实验现象,因而得到很多学者的支持。随着科技的发展,特别是先进显微镜技术的飞跃,人们终于可以观测到原子级的微观结构,最终证实了位错的存在。

再回到硫化锌,受不同光照条件的影响,晶体中的电子会有不同的分布状态。黑暗中的电子分布状态有利于产生更多的位错。而且,此时产生的位错是“滑移型”,这种特殊的位错形式使材料更容易发生变形。随着这些原子级别的差异逐渐累积,在肉眼可见的尺度上,最终促成了硫化锌晶体从“饼干”向“牛轧糖”的转变。

扫描透射电子显微镜下观察不同状态硫化锌中的位错(A)原始样品(B)黑暗中变形后的样品,其中颜色较深的“蜿蜒细线”就是位错。可明显看出黑暗中样品的位错更为密集。图片来源:参考文献[1]

位错的影响,还远不止变形这么简单。如果你观察足够仔细,会发现在黑暗中压扁的硫化锌,颜色由透明转成了橙棕色。俗话说“相由心生”,晶体颜色往往也是其成分、微观结构等深层次信息的外观反映——大量的位错其实引发了硫化锌在电学、光学性质的改变,进而反映在了颜色改变上

科学家们在这项研究中不仅展示了硫化锌的“变身大法”,揭示晶体力学性质的光敏特性,还为半导体设计提供新的思路——说不定未来的半导体加工制造过程,需要通过开灯不开灯来控制呢。

看似平凡无奇的硫化锌,都因蕴藏着超凡性质化身“超级半导体”。不知这世上的万千种材料,还有多少奥秘等待发现。(编辑:明天)

参考文献:

  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. 胡赓祥, 蔡珣, & 戎咏华. (2000). 材料科学基础. 上海 上海交通大学出版.

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全部评论(8)
  • 1楼
    2018-05-24 11:36 天降龙虾

    那么,请问在全黑的环境中,能把“没头脑”拉长,变成“不高兴”吗??????

    [0] 评论
  • 2楼
    2018-05-24 12:03 5美金

    有没有一种用蛋白质作为材料,直接用体热充能的终端。

    [1] 评论
  • 3楼
    2018-05-24 14:12 Big.D 果壳实验室主任
    引用@5美金 的话:有没有一种用蛋白质作为材料,直接用体热充能的终端。

    这是啥玩意儿……

    [0] 评论
  • 4楼
    2018-05-24 16:53 combok

    借楼!后排。。。。

    现在才知道某壳一审完胜民科。。。。

    [0] 评论
  • 5楼
    2018-05-24 19:03 汉尼拔wang
    引用@5美金 的话:有没有一种用蛋白质作为材料,直接用体热充能的终端。

    手机热的烫手,谁给谁充能~~

    [0] 评论
  • 6楼
    2018-05-28 18:41 嗷呜-

    黑暗中是怎么确定颜色的?

    [0] 评论
  • 7楼
    2018-05-29 11:11 爱骑车的熊

    那么请问,硫化锌原始样品暗室中的韧性,是只要在避光暗室中每次就有,还是只有一次。

    [0] 评论
  • 8楼
    2018-06-04 18:07 忒弥斯
    1926年,苏联物理学家弗仑克尔计算发现,要想拉断理想的金属晶体,需要1~10千兆帕的应力——几乎相当于1头成年非洲象站在1平方厘米的面积上。而实际中测得的这些金属的强度,仅为理论数值的千分之一。如此巨大的差异,让科学家们一时摸不着头脑。直到8年之后,三位不同国家的科学家,几乎同时提出了位错理论,才化解这一矛盾。





    这个有问题吧?

    1平方厘米承受拉力1头大象,算2T好了。

    千分之一就是2KG

    谁家1平方厘米截面的金属不能承受2KG的拉力?就算是塑料都能拉动好不好!


    [0] 评论

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