浙江大学，Nature Materials！
米测MeLab
2025-02-27
研究背景
无机半导体是信息、能源和柔性电子等领域的核心材料。与传统的金属材料相比，无机半导体具有优异的电子和光学性能，在高性能电子器件、光伏能源转换及传感器等方面具有广泛应用。然而，无机半导体通常以共价键或离子键结合，具有较强的键方向性，这限制了位错运动，使其在室温下呈现脆性。因此，在冷加工过程中，这类材料往往易发生脆性断裂，严重制约了其大规模制造和柔性电子器件的应用。近年来，研究者陆续发现部分无机半导体可以在室温下发生塑性变形，但其变形机制尚未完全揭示，如何实现高塑性、易加工的无机半导体仍面临巨大挑战。为此，浙江大学朱铁军/付晨光团队、邓天琪研究员合作在“Nature Materials”期刊上发表了题为“Iterative sublattice amorphization facilitates exceptional processability in inorganic semiconductors”的最新论文。该团队制备了一种Ag₂Te₁₋ₓSₓ (0.3 ≤ x ≤ 0.6) 半导体材料，并揭示了其独特的室温塑性变形机制。研究发现，该材料在外力作用下，其晶态 Te/S 亚晶格会均匀转变为无定形态（亚晶格非晶化），同时 Ag 阳离子能够在其中无序扩散，从而赋予材料超高的塑性变形能力。 利用同步辐射、原位 XRD、透射电镜（TEM）分析及分子动力学模拟等手段，团队发现微小应力即可诱导材料发生亚晶格非晶化，并创新性地提出了迭代亚晶格非晶化策略。基于这一机制，Ag₂Te₁₋ₓSₓ 在室温下表现出类似金属的塑性加工性能，可进行拉丝、弯曲、锻造等多种加工方式，且辊轧延伸率高达10,150%，远超传统无机半导体。该研究不仅深化了对无机半导体塑性变形机制的理解，还为其在柔性电子、可穿戴设备、智能仿生等领域的应用提供了新的加工策略。
研究亮点
(1) 实验首次 在无机半导体 Ag₂Te₁₋ₓSₓ (0.3 ≤ x ≤ 0.6) 中发现了一种室温塑性变形机制——亚晶格非晶化结合 Ag 离子扩散，并实现了 高达 10,150% 的超高延展性，使其具备类似金属的塑性加工能力。
(2) 实验通过 同步辐射、原位 XRD、TEM 分析以及分子动力学模拟，揭示了该材料的塑性变形机制，并得到了以下结果：
在外部应力作用下，Te/S 亚晶格发生均匀非晶化，而 Ag 阳离子则持续与 Te/S 阴离子键合，从而赋予材料优异的塑性。
该材料在轻微抛光后即可发生亚晶格非晶化，表现出极低的变形激活能。
该非晶化过程可以通过简单的退火逆转回晶态，提出了“迭代亚晶格非晶化”策略，实现了类似金属的拉丝、弯曲、锻造等塑性加工。
- 该研究突破了无机半导体传统的脆性限制，为其柔性电子、可穿戴设备、智能仿生等应用提供了新思路，并推动了室温塑性无机半导体的探索。
图文解读
图1. Ag2Te1-xSx无机半导体的类金属加工特性。图2. Ag2Te1-xSx变形过程中的物相结构演变。图4. 基于迭代亚晶格非晶化策略实现Ag2Te0.6S0.4的超高延伸，构筑原型柔性热电器件。
结论展望
综上所述，本文揭示了 Te/S 亚晶格非晶化结合 Ag 离子扩散 是立方相 Ag₂Te₁₋ₓSₓ (0.3 ≤ x ≤ 0.6) 无机半导体的室温塑性变形机制。在外力作用下，Te/S 亚晶格发生非晶化以适应应变，而无序分布的 Ag 离子与 Te/S 原子持续键合，从而保持结构完整性，赋予 Ag₂Te₁₋ₓSₓ 材料卓越的塑性变形能力。基于此，作者提出了一种 迭代晶-非晶转变策略，实现了 Ag₂Te₁₋ₓSₓ (0.3 ≤ x ≤ 0.6) 的类金属加工能力，其中 Ag₂Te₀.₆S₀.₄ 在室温下可通过冷轧实现 高达 10,150% 的超高延展率，并具备 冷拉伸、冷锻造 等能力，这一现象进一步证实了亚晶格非晶化变形机制的合理性。 得益于优异的加工性能，通过冷轧获得的 Ag₂Te₁₋ₓSₓ 薄片可被轻松剪裁，从而 简化柔性电子器件的低成本制造。这一独特的 亚晶格非晶化介导的塑性变形机制 将推动更多塑性无机半导体的探索，而 类金属成型能力 将极大促进其在 柔性电子和可变形器件 领域的应用和低成本制造。Wang, Y., Li, A., Hong, Y. et al. Iterative sublattice amorphization facilitates exceptional processability in inorganic semiconductors. Nat. Mater. (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-024-02112-7
