低对称性多晶半导体中非凡塑性的结构起源：准体心立方阴离子亚晶格的发现与机制解析

针对低对称性半导体材料塑性机制不明的科学难题，中国科学院团队以Ag4SSe为模型，揭示其单斜晶格中嵌入的准体心立方(bcc)阴离子亚晶格结构，通过TEM、HPT和DFT计算证实该结构可激活48种滑移系统，结合阳离子高扩散性实现类金属塑性，为柔性电子器件材料设计提供新思路。

　　

传统认知中，半导体材料因其强方向性共价键和低对称性晶体结构，通常表现出室温脆性，严重制约了其在柔性电子和微型器件中的应用。而金属材料凭借高对称性结构和金属键特性，往往具有优异的塑性。这一"金属-半导体机械性能鸿沟"成为材料领域的经典难题。然而，近年来Ag₂S基半导体在室温下展现的异常塑性（拉伸率>25%）彻底颠覆了这一认知，但其背后的结构机制始终成谜。

为破解这一科学谜题，中国科学院的研究团队选择具有单斜结构的Ag₄SSe作为研究对象。这种窄带隙半导体不仅具有0.44的优异室温热电优值(ZT)，更展现出超越常规金属的塑性表现：拉伸应变>25%、弯曲应变>35%、压缩应变>50%，甚至能承受25倍应变的高压扭转(HPT)处理。研究人员通过多尺度表征与理论计算相结合，首次揭示了其塑性本质源于隐藏的高对称性亚晶格结构。

关键技术方法包括：高压扭转(HPT)塑性变形技术实现超大应变加载；高分辨透射电镜(HRTEM)直接观测位错滑移面；X射线衍射(XRD)定量分析位错密度（3×10¹⁴ m^-2）；密度泛函理论(DFT)计算广义层错能(GSFE)和分子动力学模拟阳离子扩散行为。

【高对称性阴离子亚晶格诱导多重滑移系统与非凡塑性】
通过晶体学分析发现，Ag₄SSe的单斜结构中存在准bcc阴离子亚晶格，其(011)_α、(021)_α等滑移面对应于bcc结构的{110}<111>、{112}<111>等经典滑移系。TEM直接观测到(010)_α[100]_α等非密排面的位错运动，证实了48种潜在滑移系统的激活。这种类金属的滑移行为突破了传统半导体仅能在密排面滑移的限制。

【亚晶格扭转诱导三明治结构与塑性】
HPT处理后的样品中出现独特的[100]_α/[101]_α/[100]_α三明治结构，其晶界对应bcc结构的(110)_β扭转边界。这种由{110}_β<111>_β螺位错网络形成的低能界，有效协调了晶粒间的塑性变形，使材料在150圈HPT处理后仍保持完整（厚度从1.2 mm减至77 μm）。

【DFT计算验证不同滑移系统】
理论计算显示，(011)_α等bcc对应滑移面的滑移能垒(396-498 mJ m^-2)显著低于非bcc滑移面(664 mJ m^-2)。同时，Ag⁺的均方位移(MSD)达0.2-0.25 ?²，这种"液态"阳离子行为可无能耗协调阴离子滑移，形成独特的"刚柔并济"变形机制。

这项发表于《SCIENCE ADVANCES》的研究，首次从原子尺度揭示了低对称性半导体中隐藏的高对称性亚晶格对其塑性的决定性作用。该发现不仅解释了Ag₂S基材料多年未解的塑性之谜，更建立了"亚晶格工程"这一材料设计新范式——通过构建高对称性亚晶格与高扩散性阳离子的复合结构，可突破传统半导体材料的机械性能极限。这种机制在热电材料（如Cu₂Q体系）中同样存在，为开发兼具优异力学性能和功能特性的新型半导体材料提供了理论基石，对柔性电子器件、微型传感器等领域具有重要指导意义。