【儀表網 研發快訊】無機半導體具有豐富可調的功能特性，是構筑電子、能源與信息器件的核心材料。然而，這類材料在室溫下通常表現為脆性，易發生斷裂而導致災難性失效。近年來，一些無機半導體材料被陸續發現具有類似金屬的良好塑性，顛覆了其本征脆性的傳統認知，為發展柔性與可變形電子器件等新興技術提供了全新的材料支撐。但具有塑性的無機半導體目前材料種類仍較稀少，且其功能特性主要局限于電學、熱學或傳感，限制了其應用范圍。
近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所張家偉研究員、仇鵬飛研究員、史迅研究員和陳立東研究員聯合東南大學董帥教授和中國科學技術大學沈勝春教授發現了一種新型塑性鐵磁半導體CrSiTe3晶體。相關成果以Ductile Inorganic Ferromagnetic Semiconductor為題發表在 Advanced Materials(2025，DOI: 10.1002/adma.202514083)。上海硅酸鹽所博士畢業生駱俊與東南大學博士后陳軍為論文共同第一作者，上海硅酸鹽所張家偉研究員與史迅研究員、東南大學董帥教授為論文共同通訊作者。
傳統的鐵磁金屬(如Fe、Co、Ni)具有良好的延展性/塑性和金屬導電特性，而無機鐵磁半導體兼具優秀的鐵磁性和半導體特性，是發展自旋電子學器件的一種理想材料。但是由于目前無機鐵磁半導體普遍表現為本征脆性，嚴重制約其可加工性及其在柔性器件中的應用潛力。
CrSiTe3是一種層狀鐵磁半導體材料。研究團隊通過自熔劑法生長塊體CrSiTe3單晶。力學性能測試表明，CrSiTe3塊體單晶在室溫下表現出良好的塑性，沿面內方向可承受高達12% 的拉伸應變與15% 的彎曲應變，沿面外方向可承受40% 的壓縮應變，與已報道的典型塑性無機半導體材料相當。
為揭示其塑性變形機理，研究團隊開展了第一性原理計算，發現CrSiTe3的優異塑性源于其Te-Te層間低的滑移能壘(47 mJ m-2)、高的解離能(418 mJ m-2)，使得層間容易滑移而不引發解離。化學鍵分析表明，在滑移過程中，層間Te-Te相互作用始終保持一定強度的化學鍵連接，使得材料難以解離。
磁性測量表明，無論是軋制還是彎曲處理后的樣品，CrSiTe3的居里溫度均穩定在34 K，飽和磁化強度和矯頑力也未發生顯著變化。采用蒙特卡洛模擬發現，層間滑移導致形成AAC堆垛等亞穩態結構后，CrSiTe3鐵磁性保持穩定，磁各向異性仍沿c軸方向且僅發生微小偏差，材料具有與原始ABC堆垛相近的居里溫度(35±1 K)。上述結果說明材料的塑性變形對宏觀鐵磁性能影響甚微。
該研究拓展了塑性無機半導體材料的功能特性與應用范疇，首次在塊體無機半導體中實現了塑性、半導體特性與本征鐵磁有序的協同共存，為發展柔性自旋電子器件提供了全新的材料支撐。
相關工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院穩定支持基礎研究領域青年團隊、中國科學院上海分院青年攀登計劃、上海市科委等項目的支持。
圖1 (A) 自旋場效應晶體管示意圖；(B) 典型非磁/鐵磁材料拉伸率-帶隙對比圖
圖2 (A) 塑性變形后CrSiTe3塊體的光學照片；(B-D) CrSiTe3的三點彎曲測試(B)、拉伸測試(C)和壓縮測試(D)的工程應力-應變曲線
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