Plastische warmbewerking van metalen in voorheen broze halfgeleiders

Chinese onderzoekers hebben plastische warmbewerking bereikt in een reeks anorganische halfgeleiders die traditioneel als te bros voor dergelijke verwerking werden beschouwd. Deze bevindingen openen nieuwe wegen voor efficiënte en kosteneffectieve productie van halfgeleiders.

De studie is gepubliceerd in Nature Materials.

In het onderzoek ontwikkelden de wetenschappers een model voor temperatuurafhankelijke plasticiteit en vervaardigden ze hoogpresterende thermo-elektrische apparaten op basis van warmbewerkte halfgeleiderfilms. Ze ontdekten dat een groep bij kamertemperatuur broze anorganische halfgeleiders (zoals Cu₂Se, Ag₂Se, Bi₉₀Sb₁₀) uitstekende plasticiteit vertoont onder ~200 °C en dus eenvoudig kan worden verwerkt met verschillende warmbewerkingsmethoden, zoals walsen, persen en extrusie. Zo bereikten warmgewalste Ag₂Se-halfgeleiderstroken lengtes tot 90 cm, wat overeenkomt met een opmerkelijke rekbaarheid van ongeveer 3000%.

Deze warmbewerkte halfgeleiderfilms bieden verschillende voordelen. Ze zijn vrijstaand, substraatvrij en hebben instelbare diktes variërend van micrometers tot millimeters. Belangrijk is dat ze hun hoge kristalliniteit en fysieke eigenschappen behouden die vergelijkbaar zijn met hun bulk-tegenhangers. Zo vertoonden films van Ag₂Te, AgCuSe en Ag₂Se met diktes van ongeveer 5–10 μm ladingsdrager-mobiliteiten van ~1000–5000 cm² V⁻¹ s⁻¹—ongeveer vier keer hoger dan die van kristallijn silicium en orders van grootte hoger dan de meeste tweedimensionale en organische materialen.

Rijke microstructuren

De onderzoekers onthulden verder de rijke microstructuren van deze warmgewalste of geperste materialen. Dichte dislocaties die normaal worden waargenomen in bij kamertemperatuur ductiele halfgeleiders, werden niet veel waargenomen in deze warmvervormde monsters. Bovendien ontwikkelden de onderzoekers een beknopt model op basis van temperatuurafhankelijke collectieve atoomverplaatsing en thermische trillingen om de temperatuur-geïnduceerde superieure plasticiteit van deze materialen te verklaren. Door de slipbarrière-energie en splijtingsenergie te kwantificeren, konden ze een model opstellen dat met succes de overgangstemperaturen van bros naar ductiel voorspelde in verschillende anorganische halfgeleiders.

Dubbele prestaties

Om het praktische potentieel van deze techniek te demonstreren, vervaardigden de onderzoekers thermo-elektrische apparaten met de warmbewerkte films. Deze apparaten leverden ultra-hoge genormaliseerde uitgangsvermogensdichtheden van 43–54 μW cm⁻² K⁻²—bijna het dubbele van de prestaties van apparaten op basis van ductiele Ag₂S-halfgeleiders.