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Science：黑暗条件下可增强无机半导体晶体塑性

文章来源：未知更新时间：2018-05-22 09:30:52

无机半导体晶体通常倾向于以脆性方式失效，硫化锌（ZnS）也是如此。ZnS晶体（A）在普通光照环境（B）下力学试验后发生了严重断裂。然而，我们发现ZnS晶体在完全黑暗的条件下即使是室温（C）下也能沿[001]方向变形，发生εT＝45%的形变应变。变形后ZnS晶体的光学带隙减小了0.6 eV。图片来源：Atsutomo Nakamura

无机半导体（如硅）在现代电子学中是不可或缺的，因为它们介于金属和绝缘体之间，具有可调的导电性。半导体的导电性是由它的带隙控制的，该带隙是其价带和导带之间的能量差；窄带隙会造成电导率的增加，因为电子更容易从价带移动到导带。然而，无机半导体具有脆性，这种脆性极有可能导致器件失效，限制了它们的应用范围，特别是在柔性电子器件中应用。

最近名古屋大学的一个研究小组发现，与在光照下相比，无机半导体在黑暗中出现了不同的性质。他们发现硫化锌晶体（ZnS）是一种典型的无机半导体，当暴露于光照下时是脆性的，但在室温下保持黑暗时是柔性的。这项发现发表在《科学》杂志上。

“以前没有研究过完全黑暗状态对无机半导体力学性能的影响。”研究的合著者Atsutomo Nakamura说：“我们发现ZnS晶体在完全黑暗条件下显示出比光照下更强的可塑性。”

黑暗中的ZnS晶体发生塑性变形，直到达到45％的大变形才产生断裂。该小组认为，黑暗中硫化锌晶体的可塑性增加可归因于完全黑暗中的高位错移动。位错是一种晶体缺陷并能影响晶体性质。在光照条件下，ZnS晶体由于其变形机制不同于暗相而显示脆性。

材料的塑形变形是由于外力(A and B)作用下位错的形核和长大产生的。一般认为脆性无机半导体材料由于其强的化学键而难以形成位错。然而，我们发现在黑暗时的变形过程中，大量的位错在ZnS晶体中产生和倍增，从而导致了其非凡的塑性。图片来源：Atsutomo Nakamura

ZnS晶体在黑暗中的高塑性伴随着变形晶体带隙的显著减小。因此，ZnS晶体的带隙和它们的导电性可以通过在黑暗中的机械变形来控制。研究表明，变形晶体的带隙减小是由于变形将位错引入晶体中，改变了晶体的能带结构。

“这项研究揭示了无机半导体的机械性能对光的敏感性。”合著者Katsuyuki Matsunaga说：“我们的发现继续研究下去，可能研发出通过控制光暴露来设计晶体的技术。”

研究人员的研究结果表明，无机半导体的强度、脆性和导电性可以通过光暴露来调节，这为优化电子器件中无机半导体的性能开辟了一条有趣的途径。

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