「超級半導體」：天黑請閉眼，我要變形了！

這世界上的萬千種材料，大體可以分成兩類——脆性的和塑性的。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。

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，即便我們用鎚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。而硅材料，室溫下是脆性的，在750℃的高溫中，就會變成塑性。

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，來改善半導體的性能，把它從「餅乾型」變成「牛軋糖型」呢？

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，發現了黑暗的環境可以使一種半導體材料從脆性轉變為塑性，相關的報道發表在本周的《科學》（Science）雜誌上[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。常見的閃鋅礦因為含有雜質，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，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進行力學測試，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，如果在完全黑暗的環境中，發現硫化鋅晶體可以發生高達45%的變形量而不被破壞。也就是說，這塊小晶體雖然被壓扁了一半，卻仍然保持穩定。

實際上，在其他一些半導體材料中，也發現過光照影響材料力學性能的例子。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，並用到專門的概念來描述這一現象，即所謂的「光塑性效應」[2]。然而，從沒有人意識到全黑的環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

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平方厘米的面積上。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局部的缺陷，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（這一過程可以由下面的動圖表示）。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]。

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圖片來源: Corematerials

位錯概念剛提出時，僅僅是一個初步的猜想。然而，它卻可以合理地解釋原來很多無法理解的實驗現象，因而得到很多學者的支持。隨著科技的發展，特別是先進顯微鏡技術的飛躍，人們終於可以觀測到原子級的微觀結構，最終證實了位錯的存在。

再回到硫化鋅，受不同光照條件的影響，晶體中的電子會有不同的分布狀態。黑暗中的電子分布狀態有利於產生更多的位錯。而且，此時產生的位錯是「滑移型」，這種特殊的位錯形式使材料更容易發生變形。隨著這些原子級別的差異逐漸累積，在肉眼可見的尺度上，最終促成了硫化鋅晶體從「餅乾」向「牛軋糖」的轉變。

掃描透射電子顯微鏡下觀察不同狀態硫化鋅中的位錯（A）原始樣品（B）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。圖片來源：參考文獻[1]

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、微觀結構等深層次信息的外觀反映——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。

看似平凡無奇的硫化鋅，都因蘊藏著超凡性質化身「超級半導體」。不知這世上的萬千種材料，還有多少奧秘等待發現。

作者名片

題圖來源：《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). 材料科學基礎. 上海 上海交通大學出版.

來源：果殼科學人

編輯：霧裡熊

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