麻省理工學(xué)院的工程師報(bào)告了“一切舊事物都是新事物”這句格言的一個(gè)例子，他們報(bào)告了半導(dǎo)體的一項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)，這是一種眾所周知的材料，由于它們?cè)陔娮釉O(shè)備中的許多應(yīng)用，這些材料在 100 多年來一直是深入研究的焦點(diǎn)。

研究小組發(fā)現(xiàn)，這些重要的材料不僅在對(duì)光的反應(yīng)下變得更加堅(jiān)硬，而且當(dāng)光線關(guān)閉時(shí)，這種效果是可逆的。工程師們還解釋了在原子尺度上發(fā)生了什么，并展示了如何通過以某種方式制造材料(引入特定缺陷)以及使用不同顏色和強(qiáng)度的光來調(diào)整效果。

“我們對(duì)這些結(jié)果感到興奮，因?yàn)槲覀冊(cè)谝粋€(gè)非常成熟的領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的科學(xué)方向。此外，我們發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象可能存在于許多其他化合物中，”Thomas Lord 的 Rafael Jaramillo 說麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程系副教授，團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人。

參與這項(xiàng)工作的另一位麻省理工學(xué)院教授 Ju Li 說，“看到缺陷對(duì)彈性響應(yīng)有如此大的影響，這非常令人驚訝，這為各種應(yīng)用打開了大門。計(jì)算可以幫助我們篩選更多這樣的材料。” 李是巴特爾能源聯(lián)盟核科學(xué)與工程(NSE)教授，并在材料科學(xué)與工程系(DMSE)聯(lián)合任命。Jaramillo 和 Li 都隸屬于材料研究實(shí)驗(yàn)室。

這項(xiàng)工作發(fā)表在 8 月 3 日的Physical Review Letters上。由此產(chǎn)生的論文被強(qiáng)調(diào)為編輯的建議。這也是Sophia Chen為Physics Magazine撰寫的題為“Semiconductors in the Spotlight”的隨附概要的重點(diǎn)。

該論文的其他作者是 DMSE 研究生 Jiahao Dong 和 Yifei Li，他們對(duì)這項(xiàng)工作做出了同樣的貢獻(xiàn);Yuying Zhou，上海應(yīng)用物理研究所DMSE訪問研究生;Alan Schwartzman，DMSE 研究科學(xué)家;徐浩偉，NSE研究生;2020 年畢業(yè)的 DMSE 本科生 Bilal Azhar。

Jaramillo 記得 2018 年《科學(xué)》雜志上的一篇論文引起了他的興趣，該論文展示了由硫化鋅制成的半導(dǎo)體在暴露于光線時(shí)如何變得更脆。“當(dāng)[研究人員]將光照射在它上面時(shí)，它的行為就像一個(gè)餅干。它啪啪作響。當(dāng)他們關(guān)掉燈時(shí)，它的行為更像是一只小熊軟糖，它可以被擠壓而不會(huì)碎成碎片。”

為什么?Jaramillo 及其同事決定一探究竟。

在此過程中，該團(tuán)隊(duì)不僅重現(xiàn)了“科學(xué)”工作，還表明半導(dǎo)體在暴露于光線時(shí)會(huì)改變其彈性，這是一種機(jī)械剛度形式。

“想想一個(gè)彈力球，”Jaramillo 說。“它反彈的原因是因?yàn)樗怯袕椥缘?。?dāng)你把它扔到地上時(shí)，它會(huì)變形，但隨后會(huì)立即彈回(這就是它反彈的原因)。我們發(fā)現(xiàn)，這真的很令人驚訝的是，[半導(dǎo)體的彈性特性] 在光照下會(huì)發(fā)生巨大的變化，而當(dāng)燈光關(guān)閉時(shí)，這些變化是可逆的。”

發(fā)生了什么

在目前的工作中，該團(tuán)隊(duì)對(duì)硫化鋅和其他兩種半導(dǎo)體進(jìn)行了各種實(shí)驗(yàn)，他們使用一種稱為納米壓痕的敏感技術(shù)測(cè)量了材料在不同條件下(例如光強(qiáng)度)下的剛度。在該技術(shù)中，在材料表面移動(dòng)的金剛石尖端記錄將銷釘推入表面最頂部 100 納米或十億分之一米所需的力。

他們還對(duì)原子尺度上可能發(fā)生的事情進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬，慢慢地為正在發(fā)生的事情發(fā)展了一種理論。他們發(fā)現(xiàn)材料中的缺陷或缺失的原子在材料對(duì)光的機(jī)械響應(yīng)中起著重要作用。

“這些空位導(dǎo)致材料的晶格軟化，因?yàn)橐恍┰酉嗑喔h(yuǎn)。想想地鐵車廂上的人。如果他們之間有更大的空間，更容易擠進(jìn)更多的人，”Jaramillo 說。

“在光照下，存在的原子變得興奮并變得更加排斥。就好像地鐵車廂上的那些人突然開始跳舞并揮舞著手臂，”他繼續(xù)說道。結(jié)果：原子更強(qiáng)烈地抵抗更緊密地堆積在一起，材料變得更加機(jī)械堅(jiān)硬。

該團(tuán)隊(duì)很快發(fā)現(xiàn)，他們可以通過改變光的強(qiáng)度和顏色以及將特定缺陷設(shè)計(jì)到材料中來調(diào)整這種剛度。“當(dāng)你可以減少缺陷工程時(shí)，這很好，因?yàn)檫@樣你就可以插入材料科學(xué)家的核心能力之一，即控制缺陷，”Jaramillo 說。“這幾乎就是我們謀生的工作。”