中国科学院上海硅酸盐研究所史迅研究员、陈立东院士团队,联合上海交通大学魏天然教授团队,发现一类特殊的脆性半导体在500K下具有良好的塑性变形和加工能力,并建立了与温度相关的塑性物理模型,在半导体中实现了类似金属的塑性加工工艺,为丰富无机半导体加工制造技术、拓展应用场景提供了重要支撑。近日,相关研究成果发表于《自然-材料》。

半导体材料具有丰富可调的功能特性,但在室温下加工成本高、工艺流程复杂,依赖于一系列精细制备和精密加工技术。近年来,研究人员陆续发现了一些宏观尺度具有室温塑性的无机半导体材料,但具有室温塑性的半导体材料种类仍极为稀缺,物理性能无法满足半导体行业广泛的应用需求。

研究团队发现,一系列典型的窄禁带无机半导体可在略高于室温的条件下进行辊压轧制、平板压、挤压等塑性“温加工”,且加工后的材料保留了块体优良的物理性能。系列实验证明,塑性温加工方法在制造高质量半导体膜方面具有优势,能够避免衬底带来的各种限制和额外成本;在微米至毫米范围内自由调控薄膜厚度;薄膜结晶性好、元素分布均匀,很好继承了块体材料优异可调的物理性能。

微结构分析表明,此类材料在略高于室温下发生的塑性变形主要由晶粒重整变形以及晶格扭转畸变引起。研究团队进一步提出了变温塑性模型,用于计算与预测无机非金属材料的韧脆转变温度,且结论与实验数据吻合。

研究团队表示,塑性温加工方法获得的高性能自支撑半导体在电子和能源器件方面有广阔的应用前景。以热电能量转换为例,研究团队选取了3种高性能热电材料的辊压薄片,研制了两种面外型薄膜热电器件,两种器件的最大归一化功率密度约为先前报道的同类基薄膜热电器件的两倍。