科學家一直髮愁如何讓半導體更抗壓,原來關個燈就解決了?

一開始,它是酥脆的,輕輕一掰,就聽到“咔嚓”的聲音;經過一些處理,它變得柔軟而有彈性,帶來美妙的感受。

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這是啥?紅糖餈粑嗎?

醒醒醒醒,我們今天要說的,是半導體材料——

“餅乾”和“牛軋糖”有什麼區別

這世界上的萬千種材料,大體可以分成兩類——脆性的塑性的。我們可以將這兩類材料比作成“餅乾”和“牛軋糖”。餅乾是脆性的,一旦受力,容易折斷。牛軋糖則不然,受力後會先經過很大的變形,之後才會斷裂,這可以被稱為塑性。

“餅乾”還是“牛軋糖”? 圖片來源:左圖Suman Yadav/Pinterest,右圖Sylvie Falchetto/Pinterest

一種材料是“餅乾型”還是“牛軋糖型”,很大程度上取決於本身的性質,包括構成元素微觀結構處理工藝等。比如,金子就是典型的“牛軋糖型”,它具有很好的延伸性,即便我們用錘子把金塊敲打成薄薄的金箔也不會破碎。

此外,環境條件也可以影響到塑性和脆性。最典型例子的就是溫度。一般來說,溫度越低,材料越容易變脆——在冬天的東北,牛軋糖放在室外都可以直接掰斷。而矽材料,室溫下是脆性的,在750℃的高溫中,就會變成塑性。

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眾所周知,半導體材料在如今的電子領域扮演著至關重要的作用。手機、電腦、電視、收音機,這些與我們朝夕相處的電子產品都離不開半導體。在室溫下,常見的半導體材料大多是脆性的,而這種脆性極有可能導致器件失效

有沒有一種方法,來改善半導體的效能,把它從“餅乾型”變成“牛軋糖型”呢?

關上燈,寶石就能變“軟糖”

有,而且很簡單,那就是——“別照光”。

最近,來自日本名古屋的科學家們就發現,黑暗的環境可以使一種半導體材料從脆性轉變為塑,相關的報道發表在本週的《科學》(Science)雜誌上[1]。

本次的主角是硫化鋅(ZnS),又名閃鋅礦,經常以寶石的身份出現在我們面前。常見的閃鋅礦因為含有雜質,而顯現出黃色或棕色等色彩。純淨的閃鋅礦是透明的,在光電子器件中有廣泛應用

作為寶石的硫化鋅,其中的黃色是因為含有微量金屬雜質,圖片來源:Patrickvoillot.com

一般情況下,這種硫化鋅材料是典型的“餅乾型”,受到外力時基本是“嘎嘣碎”。而研究者們發現,如果在完全黑暗的條件中對硫化鋅晶體施加壓力,它卻能展現出非凡的“塑性”。

實驗人員在室溫下,對硫化鋅施加了三種光照條件:一種是普通的白光,第二種是紫外光,第三種是完全黑暗。實驗結果顯示,在普通白光和紫外光的照射下,硫化鋅晶體表現的是常見的脆性——對材料施加足夠的力量,就會立即斷裂,甚至破碎。相反,在完全黑暗的環境中,硫化鋅晶體雖然被壓扁了一半卻仍然保持穩定

(A)硫化鋅晶體,(B)在普通的光環境下,機械測試後晶體被粉碎性破壞,(C)在完全黑暗中, 硫化鋅晶體變得具有塑性。 圖片來源: Nagoya-u.ac.jp

實際上,在其他一些半導體材料中,也發現過光照影響材料效能的例子。比如,有研究發現紫外線的照射可以讓一種特定半導體材料變硬,有一個專門的概念來描述這一現象,即所謂的“光塑性效應”[2]。然而,從來沒有人意識到,全黑的環境對材料的塑性影響如此之大。

是原子的位置跑錯了

為什麼會有如此神奇的現象?這就需要從微觀的層面進行解釋了。

為了更好地幫助大家理解這個問題,我們需要先引入一個有趣的術語,名叫“位錯”。“位錯”,從字面來看是說位置錯了,在這裡其實特指原子排列的位置發生錯誤

在金屬和半導體這些材料中,原子本來是按照特定方式規則排列的。而如果某個原子的位置發生了偏移,或者在某處丟失了一個原子,那麼就會形成“位錯”。

位錯。圖片來源: Corematerials

位錯理論的提出,源於材料學上一個長期存在的巨大疑問。

1926年,蘇聯物理學家弗侖克爾計算髮現,要想拉斷理想的金屬晶體,需要1~10千兆帕的應力——幾乎相當於1頭成年非洲象站在1平方釐米的面積上。而實際中測得的這些金屬的強度,僅為理論數值的千分之一。如此巨大的差異,讓科學家們一時摸不著頭腦。

直到8年之後,三位不同國家的科學家,幾乎同時提出了位錯理論,才化解這一矛盾。原來,晶體其實並不像人們之前認為的那麼完美,它們內部原子的排列會有區域性的缺陷,而這些缺陷就形成了位錯。

當材料受力的時候,這些位錯會發生移動,從材料的內部移動到表面。對於完美的晶體,拉斷它們需要打斷橫截面上的所有原子。而對於有位錯的晶體,只要破壞位錯附近少數原子即可,因此所需的外加力量將大大降低[3]。

圖片來源:參考文獻[1]

上圖上掃描透射電子顯微鏡下觀察不同狀態硫化鋅中的位錯。A為原始樣品,B為黑暗中變形後的樣品,其中顏色較深的“蜿蜒細線”就是位錯。可明顯看出黑暗中樣品的位錯更為密集

這樣“善變”的材料,有什麼用?

位錯的影響,還遠不止變形這麼簡單。如果你觀察足夠仔細,會發現在黑暗中壓扁的硫化鋅,顏色由透明轉成了橙棕色

俗話說“相由心生”,晶體顏色往往也是其成分、微觀結構等深層次資訊的外觀反映——大量的位錯其實引發了硫化鋅在電學、光學性質的改變,進而反映在了顏色改變上。

科學家們在這項研究中不僅展示了硫化鋅的“變身大法”,揭示晶體力學性質的光敏特性,還為半導體設計提供新的思路——說不定未來的半導體加工製造過程,需要通過開燈不開燈來控制呢。

“餅乾”和“牛軋糖”各有各的好,就看我們怎麼用了。

作者:圓的方塊

編輯:明天

參考文獻:

Oshima Y., Nakamura, A., & Matsunaga, K. (2018). Extraordinary plasticity of an inorganic semiconductor in darkness. Science, 360(6390), 772-774

Yannopoulos, S. N., & Trunov, M. L. (2009). Photoplastic effects in chalcogenide glasses: A review. Physica Status Solidi (B), 246(8), 1773-1785.

胡賡祥, 蔡珣, & 戎詠華. (2000). 材料科學基礎. 上海 上海交通大學出版.

別、別關燈,我會變身……

本文來自果殼網,謝絕轉載

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