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在金属和合金的生产中，冷加工是重要的工艺之一，具有高效且成本低廉的优势。然而，传统的冷加工工艺对大多数无机半导体（如银碲盐化合物）并不适用，因为这些材料脆性较强，容易断裂。尽管近年来，具有室温可塑性的无机半导体逐渐受到重视，并且一些具有可塑性的新型材料，如Ag2Te1–xSx（银碲硫化物）表现出优异的室温塑性，但这些材料通常需要在特殊的极端条件下进行加工，且很少能适应常规的金属加工方法。研究表明，在外部应力作用下，Ag2Te1–xSx中的Te/S亚晶格经历非晶化转变，而Ag+离子与Te/S阴离子持续结合，从而使材料具备了异常的塑性变形能力。这种基于亚晶格非晶化的塑性变形机制能够使银碲硫化物在常温下实现金属般的加工性能，为制造柔性电子设备和变形设备提供了新的可能。基于此，浙江大学朱铁军教授、付晨光研究员、邓天琪研究员等人提出亚晶格非晶化塑性变形策略，改善了银碲硫化物Ag2Te0.6S0.4在常温下的金属加工性能，表现出高达10150%的超高延展性。该研究以“Iterative sublattice amorphization facilitates exceptional processability in inorganic semiconductors”为题，发表在《Nature Materials》期刊上。1、亚晶格非晶化塑性变形机制。研究首次揭示了亚晶格非晶化与Ag+离子扩散相结合，是银碲硫化物（Ag2Te1–xSx）室温塑性变形的关键机制。在外部应力作用下，Te/S亚晶格发生非晶化，从而促进了材料的塑性变形。2、超高延展性和金属加工性能。通过反复的亚晶格非晶化过程，研究团队成功地使Ag2Te0.6S0.4材料在冷轧、拉丝、弯曲、锻造等常规金属加工过程中，展现出10150%的超高延展性，表现出金属般的加工性能。3、材料的可恢复性和耐用性。该研究还发现，亚晶格非晶化后，材料的可塑性可以通过简单的退火处理恢复，进一步增强了银碲硫化物的加工适应性，并为低成本、大规模生产提供了可行性。图1展示了Ag2Te0.6S0.4在常温下的优异加工性能，特别是在冷轧过程中的表现。图1a展示了经过冷轧后的Ag2Te0.6S0.4材料，它在反复冷轧的过程中保持了极高的延展性，最终实现了10150%的超高延展性。通过这一冷轧过程，材料的厚度显著减小，证明了该材料在常温下能够承受极大的变形而不发生断裂。图1b展示了在冷轧后进行的其他金属加工工艺，如拉丝、弯曲、拉伸和锻造。Ag2Te0.6S0.4材料表现出金属般的可塑性，能够在这些常规金属加工过程中保持形状，并最终形成复杂的形态。图1c进一步展示了Ag2Te0.6S0.4材料的压缩应力-应变曲线，相较于银金属，Ag2Te0.6S0.4在大应变区表现出典型的剪切带介导的塑性变形特征，这与非晶化过程的发生密切相关。图1d则展示了冷轧前后材料的XRD图谱，结果表明在压缩和拉伸过程中，Ag2Te0.6S0.4材料的晶体结构发生了非晶化转变，这一过程为其提供了出色的塑性。图2 无定形化转变介导的多晶Ag2Te1-xSx塑性变形图2展示了Ag2Te1–xSx在不同压缩应变下的亚晶格非晶化过程。图2a的XRD图谱展示了Ag2Te0.6S0.4在经历不同压缩阶段后的结构转变。随着应变的增加，Te/S亚晶格的衍射峰逐渐减弱，最终消失，呈现出典型的广泛峰形，这表明Te/S亚晶格已转变为非晶状态。图2b和2c展示了通过原位压缩和拉伸测试获得的电子衍射图像，明确地揭示了在外部应力作用下，Ag2Te0.6S0.4的晶体结构逐步向非晶状态转变的过程。这一转变表明，亚晶格非晶化是材料实现塑性变形的关键步骤。图2d展示了表面抛光处理后Ag2Te0.6S0.4材料的XRD图谱，结果显示，表面非晶化现象的发生不需要高应变，表明即使是微小的外力，如砂纸抛光，也足以引发非晶化转变。。图3利用同步辐射X射线和PDF（Pair Distribution Function）技术对Ag2Te0.6S0.4的结构变化进行了深入分析。图3a展示了Ag2Te0.6S0.4在晶态和高度非晶化状态下的结构因子，表明在变形后，Te/S亚晶格发生了显著的非晶化。图3b进一步通过RMC（Reverse Monte Carlo）模拟与实验数据的比较，揭示了晶态和非晶态Ag2Te0.6S0.4的详细结构配置。通过模拟得出的结构配置表明，Ag2Te0.6S0.4的晶态和非晶态在局部原子环境中的差异，揭示了Te/S亚晶格的无序化和Ag+离子的扩散现象。图3c和3d展示了不同晶态和非晶态Ag2Te0.6S0.4的模拟结构配置，进一步证实了Te/S亚晶格的非晶化与Ag离子的扩散密切相关。图3e展示了通过PDF分析得到的Te–Te、S–Te和S–S之间的配对分布函数。在高度非晶化的Ag2Te0.6S0.4粉末中，这些配对分布函数的峰值显著减弱，表明Te/S亚晶格的顺序被打破，而Ag离子依然以无序的方式与Te/S结合。图4展示了Ag2Te0.6S0.4在经历冷轧过程中的塑性退化和恢复现象。图4a展示了冷轧的示意图，图4b展示了单次冷轧后Ag2Te0.6S0.4样品的光学图像，结果表明在经历单次冷轧后，样品发生了明显的断裂。相比之下，图4c展示了经过多次冷轧后的样品，显示出样品边缘光滑，没有出现明显的断裂，这表明反复进行亚晶格非晶化转变有助于增强材料的塑性。图4e和4f展示了冷轧前后退火处理样品的XRD图谱和应力-应变曲线，结果表明，通过退火，材料的晶体结构得到恢复，塑性也得到了恢复。图5 Ag2Te0.6S0.4材料的优异加工性能和应用图5展示了通过反复晶态-非晶态转变实现的Ag2Te0.6S0.4材料的优异加工性能和功能应用。图5a展示了在四次迭代的晶态-非晶态转变后，Ag2Te0.6S0.4的XRD图谱，显示出材料在每次变形过程中晶体结构的变化和非晶化的发生。图5b展示了每次冷轧后的光学图像，经过四次迭代的冷轧后，样品的厚度从20mm降低至0.02 mm，展现出10,150%的超高延展性。图5c和5d展示了材料在冷轧过程中热导率、电导率和Seebeck系数的变化，证明了材料在变形过程中热电性能的稳定性。图5e和5f展示了基于Ag2Te0.6S0.4的平面和垂直柔性热电模块，进一步验证了该材料在柔性电子设备中的应用潜力。图5g和5h展示了基于Ag2Te0.6S0.4的传感器和发电装置的性能测试，结果表明，材料在弯曲和拉伸状态下依然表现出稳定的热电性能，证明了其在柔性和可变形设备中的应用前景。该研究提出了银碲硫化物（Ag2Te1–xSx）在常温下实现金属加工性能的新策略—基于亚晶格非晶化的塑性变形机制。通过反复进行晶态和非晶态的转变，材料展现了超高延展性和良好的冷加工性能，能够适应常规金属加工方法，如冷轧、拉丝和锻造等。这一发现为无机半导体的加工提供了新的思路，推动了其在柔性电子和变形设备中的应用。未来，这一基于亚晶格非晶化的变形机制有望推广到其他无机半导体材料，进一步拓宽其在电子器件和热电模块等领域的应用，尤其是在低成本、高效生产柔性电子产品方面。Iterative sublattice amorphization facilitates exceptional processability in inorganic semiconductors. Nature Materials, https://doi.org/10.1038/s41563-024-02112-7.🏅 我们提供专业的第一性原理、分子动力学、生物模拟、量子化学、机器学习、有限元仿真等代算服务。🎯我们的理论计算服务，累计助力5️⃣0️⃣0️⃣0️⃣0️⃣➕篇科研成果，计算数据已发表在Nature & Science正刊及大子刊、JACS、Angew、PNAS、AM系列等国际顶刊。👏👏👏
