材料學家的科研日常

彭立明

電子材料

建筑材料

紡織材料

“全能型選手”

——材料學家

自人類步入現代社會以來，材料學家的目光逐漸投向半導體材料、納米材料、生物材料、高分子材料、電子信息材料等高新材料。豐富的研究內容也意味著材料科學變得包羅萬象，這就要求材料學家對物理、化學、生物、數學、計算機等領域都要有一定的了解。

一般來說，材料學家的研究內容包括：

1.了解材料——通過先進的技術，分析和描述材料性能、結構和組成，以便更好地理解和應用這些材料；

2.制造和改造材料——根據需求，通過一些方法來調整材料的物理、化學性能；

3.使用材料——將不同的材料組裝、集成為一系列可正常使用的功能性器件（例如可實現熱能和電能相互轉換的器件）；

4.預測材料——通過計算材料學（材料科學與計算機科學的交叉學科）的方法來預測和解釋不同材料間的本質規律。

發現，而后改造

材料科學的世界豐富多彩，因此，材料學家往往會聚焦于某個目標開展一段研究。目前，我們的工作就主要集中在塑性無機半導體材料領域。

塑性無機半導體材料具有神奇的彎曲、變形能力

Ag2S 的晶體結構

傳統的無機半導體材料（例如硅、碳化硅等）都是脆性材料——在外力作用下，僅產生很小的變形就會發生斷裂，進而導致器件失效。近年來，我們實驗室發現了一種室溫下具有塑性（材料在受力時能夠發生不可逆的變形，即材料受到外力后會永久改變形狀）的無機半導體材料——Ag2S（硫化銀）材料，它能夠在室溫下隨意被彎折、扭曲，且不會發生斷裂，具有類似金屬和塑料的變形能力。

從微觀角度來說，目前我們認為Ag2S材料的塑性來源如下：其內部Ag原子和S原子按照某種規律排列的晶體結構和原子相互之間的作用力，使得在受力過程中的原子層之間更容易發生滑移，而不易于解離即斷開，因此才產生了宏觀上的彎曲、變形。

Ag2S 材料制備的可穿戴半導體器件示意圖

?Ag2S材料制備的可穿戴半導體器件實物圖。圖中，該器件利用人體與環境的溫差產生了一定的電壓輸出

然而，這種材料也有美中不足之處——純的Ag2S材料導電能力很差，如果做成相應的器件，大部分能量會損失。因此，我們希望通過調控Ag2S材料的結構或化學組成來提高它的電導率。

我們使用了同主族化學元素固溶的方法——即制備原材料的時候，按照一定的比例使用Se和Te元素取代S元素的原子位置——改變了Ag2S材料原有的組成結構。最終，我們獲得了兼具良好塑性和導電性能的Ag2（S，Se，Te）多元化合物，并在此基礎上制備了柔性可穿戴器件。

實驗室之外

在科研之余，我的導師時常教導我們：多出去玩、多運動、多思考，即在認真、刻苦做好自己分內工作的同時，也應當熱愛生活、發散思維，多與不同學科的優秀學者進行思維碰撞，以拓展自己的視野。有時候，我們在當下遇到的科研上的小難題，對于其他學科來說很可能只是常識性問題；也或許，一些問題的答案就在跑步、繪畫、歌唱的生活間隙中柳暗花明。材料科學的發展，就是在一次次的靈感迸發中“積跬步而至千里”的。

在高速發展的信息時代，材料科學肩負著國家和人類發展的重任，材料學家在航空航天、新能源、電子電路、醫藥、建筑等行業發揮著關鍵作用。希望各位有志于材料科學研究的同學們，腳踏實地、仰望星空，熱愛生活、永懷熱忱！

（責任編輯 / 代竹蕊? 美術編輯 / 周游）

導師與學生在日常實驗中進行交流