Неорганический полупроводник эластичен как металл

Слоистая структура полупроводника α-Ag2S

Совместная работа исследователей из Китая и Германии позволила создать полупроводник, пластичный, как большинство металлов, но при этом сохраняющий особые электронные свойства. Предполагается, что этот материал может быть полезен для разработки гибкой электроники, например для гибких манипуляторов робототехники («Nature Materials», 2018, 17, 421—426, doi: 10.1038/s41563-018-0047-z).

Большинство металлов пластичны, их можно вытянуть в тонкие провода, а полупроводники хрупкие — это свойство связано с их низкой электропроводностью. Внешние электроны металла в металлической кристаллической решетке образуют многоцентровые связи, которые не только позволяют перемещаться носителям заряда, но и делают проводник более податливым. Ионные или ковалентные связи, формирующиеся в полупроводниках, способствуют удержанию электронов на месте и не дают материалу изменять форму. Большая часть полупроводников разрушается при удлинении не более чем на 1%. Однако Лидун Чэнь и его коллеги из отделения Академии наук КНР в Шанхае обнаружили, что полупроводящий материал α-Ag₂S более пластичен, чем многие сплавы металлов, хотя ширина его запрещенного слоя (энергия, необходимая для переноса электрона в область проводимости) почти такая же, как у кремния.

Совместно с Юри Грином и Ульрихом Буркхартом из Института химической физики твердого тела имени Макса Планка (Дрезден) китайские исследователи выяснили, что материал отличается сложной слоистой структурой, в которой отдельные атомы серебра, выходя из «своих» слоев, формируют полярные многоцентровые связи с атомами серы. При деформации кристалла эти атомы серебра могут изменять положение и тем самым позволяют кристаллу менять форму, не разрушаясь. В отличие от многослойных графена или дисульфида молибдена, в которых слои удерживаются только силами Ван-дер-Ваальса, в α-Ag₂S разрушение связей между слоями энергетически невыгодно, и материал становится более пластичным и эластичным.

Исследователи уверены, что такой материал найдет применение во многих областях, например при создании гибких термоэлектрических устройств, которые, прилегая к коже носителя, смогут использовать тепло тела для выработки электричества. Грин надеется, что и другие ученые заинтересуются поисками новых материалов с аналогичным мотивом строения. По его словам, существует немало соединений, в которых наблюдается подобная миграция атомов или ионов, однако никто еще не пытался изучать эти вещества как полупроводники.

Эта статья доступна в печатном номере "Химии и жизни" (№ 6/2018) на с. 11.