中国科学院用“温加工”法制高性能半导体薄膜

中国科学院上海硅酸盐研究所的科研团队与上海交通大学合作，发现了一类脆性半导体材料在500K下具有良好的塑性变形和加工能力。通过建立与温度相关的塑性物理模型，研究团队实现了类似金属的塑性加工工艺，为半导体制造技术提供了新思路。该研究成果已发表在《自然-材料》上，展示了在略高于室温的条件下进行“温加工”的优势，能够制造高质量半导体薄膜，具有广阔的应用前景。

中国科学院上海硅酸盐研究所史迅研究员和陈立东院士团队，与上海交通大学魏天然教授团队合作，发现了一类特殊的脆性半导体材料在500K下具有良好的塑性变形和加工能力。他们建立了与温度相关的塑性物理模型，实现了类似金属的塑性加工工艺，为丰富无机半导体的加工制造技术和拓展应用场景提供了重要支撑。近日，该研究成果发表在《自然-材料》上。

半导体材料具有丰富的可调功能特性，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在宏观尺度下具备室温塑性的无机半导体材料，但此类材料种类仍极为稀缺，物理性能无法满足半导体行业的广泛应用需求。

研究团队发现，一系列典型的窄禁带无机半导体材料可以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。系列实验表明，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，很好地继承了块体材料优异可调的物理性能。

微结构分析显示，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，通过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。

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