具有良好室溫塑性的多晶材料通常是具有高對(duì)稱性結(jié)構(gòu)的金屬材料。一般而言，結(jié)構(gòu)對(duì)稱性越高，可開動(dòng)的等價(jià)滑移系越多，從而帶來更好的塑性。然而，近年研究發(fā)現(xiàn)，具有較低對(duì)稱性的、單斜結(jié)構(gòu)Ag?S基無機(jī)半導(dǎo)體表現(xiàn)出可與金屬媲美的優(yōu)異塑性。這似乎與上述經(jīng)驗(yàn)規(guī)律相矛盾，其變形機(jī)制尚不明確。另一方面，Ag?S材料不耐離子、電子輻照，微結(jié)構(gòu)表征難度很大，目前幾乎沒有對(duì)其微觀組織結(jié)構(gòu)的直接清晰觀測，關(guān)于其塑性變形機(jī)制的研究極具挑戰(zhàn)。
近日，中國科學(xué)院金屬研究所李秀艷研究員與上海交通大學(xué)魏天然教授、中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所史迅研究員等合作，選取與Ag?S具有相同單斜結(jié)構(gòu)且在電子輻照下更穩(wěn)定的Ag?SSe塑性半導(dǎo)體為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行高壓扭轉(zhuǎn)（HPT）塑性變形，通過透射電子顯微鏡（TEM）成功觀察并解析了其微結(jié)構(gòu)演化。相關(guān)工作以 “The structural origin of extraordinary plasticity in polycrystalline semiconductors with low symmetry” 為題發(fā)表于?Science Advances?期刊。
Ag?SSe單斜結(jié)構(gòu)多晶半導(dǎo)體具有優(yōu)異的室溫塑性，其拉伸、彎曲和壓縮應(yīng)變分別可達(dá)25%、40%和50%，甚至可以塑性加工成具有優(yōu)良性能的半導(dǎo)體彈簧。研究發(fā)現(xiàn)，其單斜結(jié)構(gòu)中隱含了一個(gè)準(zhǔn)體心立方（quasi-BCC）結(jié)構(gòu)的高對(duì)稱性陰離子亞晶格，進(jìn)而具有多個(gè)可開動(dòng)滑移系，有效促進(jìn)了塑性變形。團(tuán)隊(duì)利用高分辨透射電鏡，在劇烈塑性變形后的樣品中清晰觀測到了單斜結(jié)構(gòu)4個(gè)滑移面，（011）、（021）、（031）和（010）分別對(duì)應(yīng)準(zhǔn)立方結(jié)構(gòu)中典型的（
）、（
）、（
）和（
）滑移面。理論計(jì)算表明，這些滑移系普遍具有較低的滑移能壘，且Ag離子具有大的振動(dòng)位移，可有效適應(yīng)陰離子亞晶格的相對(duì)滑動(dòng)。
相關(guān)發(fā)現(xiàn)闡明了低對(duì)稱性Ag?S基多晶半導(dǎo)體塑性變形的微觀結(jié)構(gòu)機(jī)制，為探索新型塑性半導(dǎo)體、豐富物質(zhì)塑性變形理論打下了基礎(chǔ)。
該論文第一作者為金屬所博士生任晟弘，通訊作者為金屬所李秀艷研究員與上海交通大學(xué)魏天然教授。本研究得到了國家自然科學(xué)基金與中國科學(xué)院的資助。
圖1. Ag?SSe的良好室溫塑性以及不同結(jié)構(gòu)材料的室溫延伸率
圖2. Ag?SSe變形后位錯(cuò)的HRTEM圖及其對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)BCC結(jié)構(gòu)陰離子亞晶格滑移面
