這(zhe)世界上的(de)萬(wan)千種材(cai)料(liao)，大體可以分成(cheng)兩(liang)類(lei)——脆性(xing)(xing)的(de)和(he)塑性(xing)(xing)的(de)。我們可以將這(zhe)兩(liang)類(lei)材(cai)料(liao)比作成(cheng)“餅干”和(he)“牛(niu)軋(ya)(ya)糖”。餅干是脆性(xing)(xing)的(de)，一旦受(shou)力(li)，容易折斷。牛(niu)軋(ya)(ya)糖則(ze)不然(ran)，受(shou)力(li)后(hou)會先經過很(hen)大的(de)變形，之后(hou)才(cai)會斷裂(lie)，這(zhe)可以被稱為塑性(xing)(xing)。
一種材(cai)料(liao)是(shi)“餅干(gan)型(xing)”還是(shi)“牛軋(ya)糖型(xing)”，很(hen)大程度上取決于本身的性(xing)(xing)(xing)質，包括構成元素(su)、微觀(guan)結構和處理工藝等。比(bi)如，金子就是(shi)典(dian)型(xing)的“牛軋(ya)糖型(xing)”，它(ta)具有很(hen)好的延伸性(xing)(xing)(xing)，即便我們用(yong)錘子把金塊敲(qiao)打成薄薄的金箔也不會(hui)破(po)碎。此(ci)外，環境(jing)條(tiao)件也可(ke)以影(ying)響到(dao)塑性(xing)(xing)(xing)和脆(cui)(cui)性(xing)(xing)(xing)。最典(dian)型(xing)例子的就是(shi)溫度。一般來說，溫度越低，材(cai)料(liao)越容易變脆(cui)(cui)——在冬(dong)天的東(dong)北，牛軋(ya)糖放在室(shi)外都可(ke)以直接掰斷。而硅材(cai)料(liao)，室(shi)溫下是(shi)脆(cui)(cui)性(xing)(xing)(xing)的，在750℃的高溫中，就會(hui)變成塑性(xing)(xing)(xing)。
眾(zhong)所(suo)周知，半導(dao)體(ti)材(cai)料在(zai)如今的(de)電(dian)(dian)子領域扮演著(zhu)至關重要的(de)作用。手機、電(dian)(dian)腦、電(dian)(dian)視、收音機，這(zhe)些與我們朝夕相(xiang)處的(de)電(dian)(dian)子產品都(dou)離(li)不開半導(dao)體(ti)。在(zai)室溫下(xia)，常見的(de)半導(dao)體(ti)材(cai)料大多(duo)是脆性的(de)，而(er)這(zhe)種脆性極(ji)有(you)可能導(dao)致器件失效(xiao)。
有沒有一種方(fang)法，來改善半(ban)導體(ti)的性能，把(ba)它從“餅干型”變成“牛(niu)軋糖型”呢？
有，而且很簡(jian)單(dan)，那就是——“別照光(guang)”。
最近，來自日本名古屋的科學家們，發(fa)現了黑暗的環境可(ke)以使一種半導體材料從脆性轉變為塑性，相(xiang)關的報道發(fa)表(biao)在本周(zhou)的《科學》（Science）雜志上[1]。
本次的主角(jiao)是(shi)(shi)硫(liu)化鋅(xin)（ZnS）。這種材(cai)料又叫(jiao)閃鋅(xin)礦(kuang)(kuang)，是(shi)(shi)一種寶石。常見的閃鋅(xin)礦(kuang)(kuang)因為(wei)含(han)有雜質，而(er)顯現出黃色或棕色等(deng)色彩。純凈的閃鋅(xin)礦(kuang)(kuang)是(shi)(shi)透明的，在光電子(zi)器件中(zhong)有廣泛應用。
作為寶石的(de)硫化(hua)鋅，其中的(de)黃色是(shi)因為含有(you)微量金屬(shu)雜質，圖(tu)片來源：Patrickvoillot.com
一般情況(kuang)下，這(zhe)種硫(liu)化(hua)鋅(xin)材料是(shi)典型的“餅干型”，受到外(wai)力(li)時基(ji)本是(shi)“嘎(ga)嘣碎(sui)”。而(er)研(yan)究者(zhe)們(men)發現(xian)，如果(guo)在完全黑暗的條件中對硫(liu)化(hua)鋅(xin)晶體(ti)進(jin)行力(li)學測(ce)試，它卻能展現(xian)出非(fei)凡的“塑性(xing)”。
實(shi)驗人員在室溫下，對(dui)硫(liu)化(hua)鋅(xin)施加(jia)了三(san)種光(guang)(guang)照(zhao)條件(jian)：一(yi)種是普通的(de)(de)白(bai)光(guang)(guang)，第二(er)種是紫(zi)外光(guang)(guang)，第三(san)種是完全黑暗。實(shi)驗結果(guo)顯示，在普通白(bai)光(guang)(guang)和紫(zi)外光(guang)(guang)的(de)(de)照(zhao)射下，硫(liu)化(hua)鋅(xin)晶體(ti)表現的(de)(de)是常見的(de)(de)脆性——對(dui)材料(liao)施加(jia)足夠的(de)(de)力量，就會(hui)立即(ji)斷裂，甚至破碎。相反，如果(guo)在完全黑暗的(de)(de)環境中，發現硫(liu)化(hua)鋅(xin)晶體(ti)可以發生高達(da)45%的(de)(de)變形(xing)量而不被破壞。也就是說，這塊小晶體(ti)雖然被壓扁了一(yi)半，卻仍然保(bao)持穩定(ding)。
實際上，在其(qi)他一些(xie)半導(dao)體材料中，也發(fa)(fa)現(xian)過光(guang)照影(ying)響(xiang)材料力學性能的(de)例子。比如，有研究發(fa)(fa)現(xian)紫外線的(de)照射可以讓(rang)一種特定半導(dao)體材料變硬，并用到專門的(de)概(gai)念來描述這一現(xian)象，即(ji)所謂的(de)“光(guang)塑(su)性效應”[2]。然而，從沒(mei)有人意識到全(quan)黑的(de)環境(jing)對材料的(de)塑(su)性影(ying)響(xiang)如此之大。
（A）硫化鋅(xin)晶(jing)體，（B）在普通的光環境下，機(ji)械測試后(hou)晶(jing)體被粉碎性(xing)破壞，（C）在完全黑(hei)暗(an)中(zhong)， 硫化鋅(xin)晶(jing)體變(bian)得具有塑性(xing)。 圖片來源: Nagoya-u.ac.jp
為什么會有(you)如此神(shen)奇的(de)現象？這就需(xu)(xu)要從微觀(guan)的(de)層面進行解(jie)釋了。為了更好地幫助(zhu)大家理解(jie)這個(ge)問題，我們需(xu)(xu)要先引入一個(ge)有(you)趣的(de)術語，名(ming)叫“位錯”。
“位錯”，從字面來看是(shi)(shi)說位置(zhi)錯了，在這里其實(shi)特指原(yuan)子(zi)排列的位置(zhi)發生錯誤。在金屬和半導體這些材(cai)料中，原(yuan)子(zi)本(ben)來是(shi)(shi)按照(zhao)特定(ding)方(fang)式規則排列的。而(er)如果(guo)某個(ge)原(yuan)子(zi)的位置(zhi)發生了偏移，或者在某處丟失了一個(ge)原(yuan)子(zi)，那么(me)就會形成“位錯”。
位錯理論的提出(chu)，源于材料學上一個長期存在的巨大(da)疑問。
1926年(nian)，蘇聯物(wu)理學家弗侖克(ke)爾計算(suan)發現，要(yao)想拉斷理想的(de)金屬晶體，需(xu)要(yao)1~10千(qian)兆帕的(de)應(ying)力——幾(ji)(ji)乎相當于1頭成年(nian)非(fei)洲象站(zhan)在1平方(fang)厘米(mi)的(de)面積上。而實際(ji)中測(ce)得的(de)這(zhe)些金屬的(de)強度，僅為理論數(shu)值的(de)千(qian)分(fen)之(zhi)一(yi)。如(ru)此巨大(da)的(de)差異，讓科(ke)學家們(men)一(yi)時摸(mo)不著頭腦。直到8年(nian)之(zhi)后(hou)，三位(wei)不同國家的(de)科(ke)學家，幾(ji)(ji)乎同時提出了位(wei)錯(cuo)理論，才化解這(zhe)一(yi)矛盾。
原來，晶(jing)體(ti)(ti)其實并(bing)不像人們(men)之前認(ren)為的那么(me)完美(mei)，它們(men)內部原子的排(pai)列會有局部的缺陷(xian)，而這些缺陷(xian)就(jiu)形成了位(wei)錯(cuo)。當材(cai)料受力(li)的時候，這些位(wei)錯(cuo)會發生移動，從(cong)材(cai)料的內部移動到(dao)表面(mian)（這一(yi)過(guo)程可以由下面(mian)的動圖表示(shi)）。對(dui)于(yu)完美(mei)的晶(jing)體(ti)(ti)，拉斷它們(men)需要(yao)打斷橫(heng)截面(mian)上(shang)的所(suo)有原子。而對(dui)于(yu)有位(wei)錯(cuo)的晶(jing)體(ti)(ti)，只要(yao)破壞位(wei)錯(cuo)附近少數原子即可，因此(ci)所(suo)需的外加(jia)力(li)量將大(da)大(da)降低[3]。
位錯概念(nian)剛提出時，僅僅是一(yi)個初(chu)步(bu)的(de)猜想。然而，它卻可(ke)以合理(li)地解釋原(yuan)來很多無法理(li)解的(de)實驗現象，因而得到很多學者的(de)支持。隨(sui)著(zhu)科技(ji)的(de)發展(zhan)，特別是先進顯(xian)微鏡技(ji)術(shu)的(de)飛躍，人們終于可(ke)以觀(guan)測(ce)到原(yuan)子級的(de)微觀(guan)結(jie)構，最(zui)終證實了位錯的(de)存在。
再(zai)回到硫(liu)化鋅(xin)，受不同光照條(tiao)件的(de)(de)影響，晶(jing)體中的(de)(de)電子(zi)(zi)會(hui)有不同的(de)(de)分布狀態。黑暗中的(de)(de)電子(zi)(zi)分布狀態有利于產生更多的(de)(de)位(wei)錯。而(er)且，此時(shi)產生的(de)(de)位(wei)錯是“滑移型”，這種特殊的(de)(de)位(wei)錯形式(shi)使材(cai)料更容易發生變(bian)形。隨著這些(xie)原子(zi)(zi)級(ji)別的(de)(de)差異逐漸累積，在肉眼可見的(de)(de)尺度上，最終促成了硫(liu)化鋅(xin)晶(jing)體從“餅干”向(xiang)“牛軋糖”的(de)(de)轉變(bian)。
掃(sao)描透(tou)射電子顯微鏡下觀察(cha)不同(tong)狀(zhuang)態硫(liu)化鋅中的(de)位(wei)錯（A）原(yuan)始(shi)樣品（B）黑暗中變形后的(de)樣品，其中顏色(se)較深(shen)的(de)“蜿(wan)蜒細線”就是(shi)位(wei)錯。可明顯看出黑暗中樣品的(de)位(wei)錯更為密集。圖片(pian)來源：參考文獻[1]
位(wei)錯(cuo)的(de)影(ying)響，還遠(yuan)不止變形(xing)這么簡單。如果你(ni)觀察(cha)足夠仔細，會發現(xian)在黑暗中壓扁的(de)硫(liu)(liu)化鋅，顏色(se)(se)(se)由透明轉成了橙棕色(se)(se)(se)。俗話說(shuo)“相由心(xin)生”，晶體顏色(se)(se)(se)往(wang)往(wang)也是其成分、微觀結構等深層次(ci)信息的(de)外(wai)觀反(fan)映(ying)——大量(liang)的(de)位(wei)錯(cuo)其實引發了硫(liu)(liu)化鋅在電學(xue)、光學(xue)性(xing)質的(de)改(gai)變，進而反(fan)映(ying)在了顏色(se)(se)(se)改(gai)變上。
科學家們(men)在(zai)這項(xiang)研究中不僅展示了硫(liu)化鋅的“變身大法”，揭示晶體力學性質的光敏特(te)性，還(huan)為半導體設計提供新(xin)的思路——說(shuo)不定(ding)未來(lai)的半導體加工制造過程，需要通(tong)過開燈不開燈來(lai)控(kong)制呢(ni)。
看似平凡(fan)無奇(qi)的硫化鋅，都因蘊藏著超(chao)凡(fan)性質化身“超(chao)級半導體”。不知這世上的萬千種材料，還有(you)多少(shao)奧(ao)秘等待(dai)發現。
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