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Science：黑暗條件下可增強(qiáng)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體晶體塑性

文章來(lái)源：未知更新時(shí)間：2018-05-22 09:30:52

無(wú)機(jī)半導(dǎo)體晶體通常傾向于以脆性方式失效，硫化鋅（ZnS）也是如此。ZnS晶體（A）在普通光照環(huán)境（B）下力學(xué)試驗(yàn)后發(fā)生了嚴(yán)重?cái)嗔选Ｈ欢覀儼l(fā)現(xiàn)ZnS晶體在完全黑暗的條件下即使是室溫（C）下也能沿[001]方向變形，發(fā)生εT＝45%的形變應(yīng)變。變形后ZnS晶體的光學(xué)帶隙減小了0.6 eV。圖片來(lái)源：Atsutomo Nakamura

無(wú)機(jī)半導(dǎo)體（如硅）在現(xiàn)代電子學(xué)中是不可或缺的，因?yàn)樗鼈兘橛诮饘俸徒^緣體之間，具有可調(diào)的導(dǎo)電性。半導(dǎo)體的導(dǎo)電性是由它的帶隙控制的，該帶隙是其價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的能量差；窄帶隙會(huì)造成電導(dǎo)率的增加，因?yàn)殡娮痈菀讖膬r(jià)帶移動(dòng)到導(dǎo)帶。然而，無(wú)機(jī)半導(dǎo)體具有脆性，這種脆性極有可能導(dǎo)致器件失效，限制了它們的應(yīng)用范圍，特別是在柔性電子器件中應(yīng)用。

最近名古屋大學(xué)的一個(gè)研究小組發(fā)現(xiàn)，與在光照下相比，無(wú)機(jī)半導(dǎo)體在黑暗中出現(xiàn)了不同的性質(zhì)。他們發(fā)現(xiàn)硫化鋅晶體（ZnS）是一種典型的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體，當(dāng)暴露于光照下時(shí)是脆性的，但在室溫下保持黑暗時(shí)是柔性的。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。

“以前沒(méi)有研究過(guò)完全黑暗狀態(tài)對(duì)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體力學(xué)性能的影響。”研究的合著者Atsutomo Nakamura說(shuō)：“我們發(fā)現(xiàn)ZnS晶體在完全黑暗條件下顯示出比光照下更強(qiáng)的可塑性。”

黑暗中的ZnS晶體發(fā)生塑性變形，直到達(dá)到45％的大變形才產(chǎn)生斷裂。該小組認(rèn)為，黑暗中硫化鋅晶體的可塑性增加可歸因于完全黑暗中的高位錯(cuò)移動(dòng)。位錯(cuò)是一種晶體缺陷并能影響晶體性質(zhì)。在光照條件下，ZnS晶體由于其變形機(jī)制不同于暗相而顯示脆性。

材料的塑形變形是由于外力(A and B)作用下位錯(cuò)的形核和長(zhǎng)大產(chǎn)生的。一般認(rèn)為脆性無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料由于其強(qiáng)的化學(xué)鍵而難以形成位錯(cuò)。然而，我們發(fā)現(xiàn)在黑暗時(shí)的變形過(guò)程中，大量的位錯(cuò)在ZnS晶體中產(chǎn)生和倍增，從而導(dǎo)致了其非凡的塑性。圖片來(lái)源：Atsutomo Nakamura

ZnS晶體在黑暗中的高塑性伴隨著變形晶體帶隙的顯著減小。因此，ZnS晶體的帶隙和它們的導(dǎo)電性可以通過(guò)在黑暗中的機(jī)械變形來(lái)控制。研究表明，變形晶體的帶隙減小是由于變形將位錯(cuò)引入晶體中，改變了晶體的能帶結(jié)構(gòu)。

“這項(xiàng)研究揭示了無(wú)機(jī)半導(dǎo)體的機(jī)械性能對(duì)光的敏感性。”合著者Katsuyuki Matsunaga說(shuō)：“我們的發(fā)現(xiàn)繼續(xù)研究下去，可能研發(fā)出通過(guò)控制光暴露來(lái)設(shè)計(jì)晶體的技術(shù)。”

研究人員的研究結(jié)果表明，無(wú)機(jī)半導(dǎo)體的強(qiáng)度、脆性和導(dǎo)電性可以通過(guò)光暴露來(lái)調(diào)節(jié)，這為優(yōu)化電子器件中無(wú)機(jī)半導(dǎo)體的性能開(kāi)辟了一條有趣的途徑。

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