金属和陶瓷/半导体具有迥然不同的力学性能，如金属具有良好的延展性、塑性、易加工等特性，而陶瓷和半导体则表现为脆性、塑性差、不易加工等特性。人类的生存和发展离不开这些基础材料的研究，目前金属和陶瓷/半导体已走进了人们生产和生活的方方面面，但它们力学性能的差异导致了两者几乎孑然相反的应用领域。特别由于延展性的差别，金属和陶瓷/半导体的制备科学和加工技术完全不同，如金属一般采用熔炼结合机械加工、冲压、精密铸造成型等，而陶瓷/半导体则由于其脆性，一般采用粉末烧结等方法获得块体材料。在一些要求具有特殊形状或外形以及变形能力的应用场合，目前唯有金属和有机材料适合使用，而陶瓷/半导体因其脆性无法满足此类需求。
近年来，柔性电子学引起了全世界的关注，发展迅速，被认为可能带来一场电子技术革命。它是一种在柔性衬底上制作有机/无机材料电子器件的新型电子技术。以其独特的可变形性、高效率和低成本的制造工艺，在信息、能源、医疗、国防等领域具有广泛的应用前景。但目前无机材料尤其是半导体属于脆性材料，在大的弯曲变形下，或者在拉伸条件下，容易断裂，导致器件失效。此外，有机半导体的迁移率低于无机半导体，电性能可调范围小，无法满足半导体行业蓬勃发展的需求。因此，开发具有良好延展性和柔性的无机半导体材料，实现柔性电子技术的集成设备和制造技术的突破，是柔性电子发展的迫切需要。
近日，中国科学院上海硅酸盐研究所研究人员石迅、陈立东与德国马普研究所教授尤里·格林合作，发现了一种在室温下具有与金属相同延展性的半导体材料。研究，& alpha-Ag2S是一种典型的半导体，但是它有着非常反常的类似于金属的力学性质。特别是具有良好的延展性和柔韧性，有望在柔性电子领域得到广泛应用。相关研究发表在《自然材料》杂志上。
室温& alpha-Ag2S具有锯齿形折叠层状单斜结构。四个s和四个Ag原子形成一个8原子环，通过s原子相互连接。& alpha-Ag2S是典型的半导体，带隙在1eV左右；未掺杂& alpha-Ag2S主要靠电子导电，电子浓度低，电导率比较小，大约0.01Sm-1，电子迁移率比较大，大约100cm2V-1s-1。& alpha元素掺杂可以使-Ag2S的电子浓度和电导率提高几个数量级，其电学性质可以在半导体区自由调节。
与其他半导体或陶瓷相比，&α；-Ag2S具有非常奇怪和独特的机械性能。具有与金属相同的延展性和变形能力，在外力和大应变下不会造成材料损伤和断裂。其加工的材料碎片类似于金属，是细长的扭曲细丝，而陶瓷和半导体的加工碎片是小颗粒或粉末。其机械性能的进一步表征表明，α；-Ag2S的最大压缩变形量可达50%以上。三点弯曲试验显示其最大弯曲变形超过20%，而拉伸试验显示α；-Ag2S的拉伸变形可达4.2%。所有这些值都远远超过了已知的陶瓷和半导体材料，但与某些金属的机械性能相似。
研究小组进一步研究了& alpha-Ag2S这些异常力学性能的机理和机制。一种具有良好滑动能力和延性的材料，必须满足两个基本条件:一是存在一个能量垒很小的滑动面，能在外力作用下滑动；其次，在滑动过程中不分解，仍然保持材料的完整性。研究人员用第一原理计算模拟了一系列材料，包括& alpha-Ag2S、NaCl、石墨、金刚石、金属Mg和Ti的滑移过程，发现&α；-Ag2S、NaCl、石墨、金属Mg和Ti都有带小能垒的滑移面，其中α；-Ag2S的滑移面为(100)面；而金刚石在滑动过程中势垒过大，没有滑动面。与此同时，& alpha-Ag2S、Mg、Ti滑动面之间的相互作用力比较大，使材料在滑动过程中不易开裂和脱离，从而保持材料的整体性和完整性；而NaCl、石墨和金刚石滑动面之间的作用力太小，材料在滑动过程中容易开裂、解离。量子化学计算也揭示了&α；-Ag2S滑移面间作用力的来源和作用方式，发现在一个晶体周期内，除了分子间作用力外，在(100)滑移面之间只有两个黄色S原子和六个灰色Ag原子之间的成键。滑动过程中，两个S原子沿着六个Ag原子组成的滑轨移动。此时，旧的Ag-S键减弱甚至断裂，而新的Ag-S键增强甚至形成。因此,( 100)滑移面之间的力保持Ag-S的成键状态，在滑移过程中其能量波动较小，导致滑移能垒较小；同时，粘结状态保证了这些滑动面之间较强的作用力，避免了滑动过程中裂纹的产生甚至材料的解离。
对于柔性电子的应用，团队还准备了& alpha-Ag2S膜，发现其具有比块体材料更大的变形能力。与此同时，& alpha-变形后-Ag2S的电学性质。发现其电性能在几十次或几百次反复弯曲变形后基本保持不变或变化很小。
与已知的脆性陶瓷和半导体材料不同，α；-Ag2S半导体具有类似于金属的机械性能，在弯曲和变形的情况下能保持材料的完整性和电学性能。其宽范围可调的电学特性、合适的带宽和大的迁移率使其有望在柔性电子领域得到广泛应用。同时，这项工作也将启动寻找和发现其他具有相似金属力学性质的半导体材料的研究。
该研究得到了国家自然科学基金(51625205和51632010)、中科院重点部署项目(KFZD-SW-421)、上海市重大基金项目(15JC1400301)、学术带头人(16XD1403900)的资助和支持。
