這世界上的萬(wàn)千種材料，大體可以分成兩類(lèi)——脆性的和塑性的。我們可以將這兩類(lèi)材料比作成“餅干”和“牛軋糖”。餅干是脆性的，一旦受力，容易折斷。牛軋糖則不然，受力后會(huì )先經(jīng)過(guò)很大的變形，之后才會(huì )斷裂，這可以被稱(chēng)為塑性。
一種材料是“餅干型”還是“牛軋糖型”，很大程度上取決于本身的性質(zhì)，包括構成元素、微觀(guān)結構和處理工藝等。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(huì )破碎。此外，環(huán)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(lái)說(shuō)，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。而硅材料，室溫下是脆性的，在750℃的高溫中，就會(huì )變成塑性。
眾所周知，半導體材料在如今的電子領(lǐng)域扮演著(zhù)至關(guān)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(chǎn)品都離不開(kāi)半導體。在室溫下，常見(jiàn)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(méi)有一種方法，來(lái)改善半導體的性能，把它從“餅干型”變成“牛軋糖型”呢？
有，而且很簡(jiǎn)單，那就是——“別照光”。
最近，來(lái)自日本名古屋的科學(xué)家們，發(fā)現了黑暗的環(huán)境可以使一種半導體材料從脆性轉變?yōu)樗苄?/strong>，相關(guān)的報道發(fā)表在本周的《科學(xué)》（Science）雜志上[1]。
本次的主角是硫化鋅（ZnS）。這種材料又叫閃鋅礦，是一種寶石。常見(jiàn)的閃鋅礦因為含有雜質(zhì)，而顯現出黃色或棕色等色彩。純凈的閃鋅礦是透明的，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(zhì)，圖片來(lái)源：Patrickvoillot.com
一般情況下，這種硫化鋅材料是典型的“餅干型”，受到外力時(shí)基本是“嘎嘣碎”。而研究者們發(fā)現，如果在完全黑暗的條件中對硫化鋅晶體進(jìn)行力學(xué)測試，它卻能展現出非凡的“塑性”。
實(shí)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(shí)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(jiàn)的脆性——對材料施加足夠的力量，就會(huì )立即斷裂，甚至破碎。相反，如果在完全黑暗的環(huán)境中，發(fā)現硫化鋅晶體可以發(fā)生高達45%的變形量而不被破壞。也就是說(shuō)，這塊小晶體雖然被壓扁了一半，卻仍然保持穩定。
實(shí)際上，在其他一些半導體材料中，也發(fā)現過(guò)光照影響材料力學(xué)性能的例子。比如，有研究發(fā)現紫外線(xiàn)的照射可以讓一種特定半導體材料變硬，并用到專(zhuān)門(mén)的概念來(lái)描述這一現象，即所謂的“光塑性效應”[2]。然而，從沒(méi)有人意識到全黑的環(huán)境對材料的塑性影響如此之大。
（A）硫化鋅晶體，（B）在普通的光環(huán)境下，機械測試后晶體被粉碎性破壞，（C）在完全黑暗中， 硫化鋅晶體變得具有塑性。 圖片來(lái)源: Nagoya-u.ac.jp
為什么會(huì )有如此神奇的現象？這就需要從微觀(guān)的層面進(jìn)行解釋了。為了更好地幫助大家理解這個(gè)問(wèn)題，我們需要先引入一個(gè)有趣的術(shù)語(yǔ)，名叫“位錯”。
“位錯”，從字面來(lái)看是說(shuō)位置錯了，在這里其實(shí)特指原子排列的位置發(fā)生錯誤。在金屬和半導體這些材料中，原子本來(lái)是按照特定方式規則排列的。而如果某個(gè)原子的位置發(fā)生了偏移，或者在某處丟失了一個(gè)原子，那么就會(huì )形成“位錯”。
位錯理論的提出，源于材料學(xué)上一個(gè)長(cháng)期存在的巨大疑問(wèn)。
1926年，蘇聯(lián)物理學(xué)家弗侖克爾計算發(fā)現，要想拉斷理想的金屬晶體，需要1~10千兆帕的應力——幾乎相當于1頭成年非洲象站在1平方厘米的面積上。而實(shí)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(xué)家們一時(shí)摸不著(zhù)頭腦。直到8年之后，三位不同國家的科學(xué)家，幾乎同時(shí)提出了位錯理論，才化解這一矛盾。
原來(lái)，晶體其實(shí)并不像人們之前認為的那么完美，它們內部原子的排列會(huì )有局部的缺陷，而這些缺陷就形成了位錯。當材料受力的時(shí)候，這些位錯會(huì )發(fā)生移動(dòng)，從材料的內部移動(dòng)到表面（這一過(guò)程可以由下面的動(dòng)圖表示）。對于完美的晶體，拉斷它們需要打斷橫截面上的所有原子。而對于有位錯的晶體，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(lái)源: Corematerials
位錯概念剛提出時(shí)，僅僅是一個(gè)初步的猜想。然而，它卻可以合理地解釋原來(lái)很多無(wú)法理解的實(shí)驗現象，因而得到很多學(xué)者的支持。隨著(zhù)科技的發(fā)展，特別是先進(jìn)顯微鏡技術(shù)的飛躍，人們終于可以觀(guān)測到原子級的微觀(guān)結構，最終證實(shí)了位錯的存在。
再回到硫化鋅，受不同光照條件的影響，晶體中的電子會(huì )有不同的分布狀態(tài)。黑暗中的電子分布狀態(tài)有利于產(chǎn)生更多的位錯。而且，此時(shí)產(chǎn)生的位錯是“滑移型”，這種特殊的位錯形式使材料更容易發(fā)生變形。隨著(zhù)這些原子級別的差異逐漸累積，在肉眼可見(jiàn)的尺度上，最終促成了硫化鋅晶體從“餅干”向“牛軋糖”的轉變。
掃描透射電子顯微鏡下觀(guān)察不同狀態(tài)硫化鋅中的位錯（A）原始樣品（B）黑暗中變形后的樣品，其中顏色較深的“蜿蜒細線(xiàn)”就是位錯?？擅黠@看出黑暗中樣品的位錯更為密集。圖片來(lái)源：參考文獻[1]
位錯的影響，還遠不止變形這么簡(jiǎn)單。如果你觀(guān)察足夠仔細，會(huì )發(fā)現在黑暗中壓扁的硫化鋅，顏色由透明轉成了橙棕色。俗話(huà)說(shuō)“相由心生”，晶體顏色往往也是其成分、微觀(guān)結構等深層次信息的外觀(guān)反映——大量的位錯其實(shí)引發(fā)了硫化鋅在電學(xué)、光學(xué)性質(zhì)的改變，進(jìn)而反映在了顏色改變上。
科學(xué)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(xué)性質(zhì)的光敏特性，還為半導體設計提供新的思路——說(shuō)不定未來(lái)的半導體加工制造過(guò)程，需要通過(guò)開(kāi)燈不開(kāi)燈來(lái)控制呢。
看似平凡無(wú)奇的硫化鋅，都因蘊藏著(zhù)超凡性質(zhì)化身“超級半導體”。不知這世上的萬(wàn)千種材料，還有多少奧秘等待發(fā)現。
題圖來(lái)源：《變形金剛》劇照
參考文獻：
[1] Oshima Y., Nakamura, A., & Matsunaga, K. (2018). Extraordinary plasticity of an inorganic semiconductor in darkness. Science, 360(6390), 772-774
[2] Yannopoulos, S. N., & Trunov, M. L. (2009). Photoplastic effects in chalcogenide glasses: A review. Physica Status Solidi (B), 246(8), 1773-1785.
[3] 胡賡祥, 蔡珣, & 戎詠華. (2000). 材料科學(xué)基礎. 上海 上海交通大學(xué)出版.