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撰文丨姬扬 浙江大学物理学院

2025年3月，澳大利亚的科学家在《自然通讯》上发表论文，宣布他们利用“空位工程”技术，成功开发了一种用于可穿戴设备的柔性半导体材料， 能够高效地把人体的热量转化为电能。那么，什么是柔性半导体呢？这个领域有哪些关键难题呢？什么是“空位工程”技术呢？这项工作的新突破体现在哪里呢？将来会有什么重大应用吗？

半导体科技是现代文明的基石，从手机到互联网，从医疗设备到国防武器，半导体科技正在不停地迭代升级，持续推动人类文明进步。传统半导体器件（比如电脑和手机里的芯片）是用硅这种晶体材料制成的，性能优越、质量可靠，但是制作过程复杂又昂贵，而且产品不能弯曲、折叠或者拉伸，只能老老实实待在电路板上。柔性半导体指的是半导体材料或器件能弯能折还能拉伸，同时还不丧失其电学性能，可以在很多场合替代传统的刚性半导体。

柔性半导体用塑料、有机材料或者超薄的金属氧化物做成，加工时不用高温，甚至能像印报纸一样“印刷”出来，仿佛把电子电路“画”在保鲜膜上，可以随便卷曲。所以它特别适合做折叠屏手机、电子皮肤、能贴在身上的健康监测贴片，等等。

柔性半导体正推动电子设备形态的根本变革，从刚性走向可形变，未来可能在医疗、能源、人工智能等领域催生颠覆性应用。但是，目前它的性能还比不上传统芯片，容易受温度、湿度影响，寿命也短一些。还需要发明很多新技术来改进其性能，比如说空位工程。

空位是晶体中最常见的点缺陷，对材料的电学性能有显著影响。空位工程指的是，为了优化材料物理化学性质，在材料中人为引入、调控或消除空位缺陷（如原子空位、间隙原子等）。空位工程这种技术手段通过“缺陷即功能”的策略，为材料设计提供了新维度，正在材料科学、新能源、信息器件和量子技术发挥着重要作用。

半导体器件离不开能源，传统的电池通常不能折叠弯曲，不利于配合柔性半导体的的应用。热电材料是一种能够直接将热能转化为电能的材料，因其无污染、无噪音、无需移动部件等优点，受到了广泛关注。然而，传统的热电材料通常比较脆，难以应用在柔性电子设备中。近期，科学家们发现了一种新型柔性热电材料（银铜碲硒硫合金，AgCu(Te, Se, S)），它不仅具有优异的热电性能，还具备出色的可塑性，为柔性热电设备的发展带来了新的希望。热电材料的性能通常用“热电优值”（ZT）来衡量，ZT值越高，热电转换效率就越高。为了提高ZT值，科学家们需要优化材料的电导率和塞贝克系数，同时降低热导率。

银铜碲硒硫合金【AgCu(Te, Se, S)】是一种罕见的p型塑性无机热电材料。澳大利亚的科学家采用低成本熔融法合成了这种柔性半导体，其优异的可塑性和热电转换能力使其适用于复杂场景。空位工程是这项研究的关键。通过人为制造少量Ag或Cu空位，材料中的载流子浓度得到了优化，电导率显著提升。此外，这些空位还作为声子散射中心，降低了材料的热导率。最终，优化后的材料在343 K时达到了创纪录的ZT值0.83，在目前同类材料中是最高水平。

这种材料不仅热电性能出色，还具备惊人的可塑性。在三点弯曲测试中，含S的样品能够承受高达10%的应变，而普通银铜碲合金（AgCuTe)的应变仅为1%。这种特性使得材料可以弯曲、折叠，非常适合用于柔性电子设备。为了验证这种材料的实用性，研究团队制作了一种柔性热电设备。在25摄氏度的温差下，该设备的功率密度达到了远高于传统有机热电设备的性能。这种设备可以轻松贴合在人体手臂上，利用体温与环境温度的差异发电，为可穿戴电子设备提供了新的能源解决方案。

这项工作解决了柔性半导体领域的关键难题：如何既提升热电效率，又保持材料的柔韧性和可拉伸性，实现高性能与高可塑性的完美结合。柔性热电设备可以贴合在人体或弯曲表面，从环境中收集废热并转化为电能，为智能手表、健康监测设备等可穿戴电子产品提供持续能源。

尽管这项研究取得了重大突破，但仍有一些问题需要解决，例如材料与电极之间的接触电阻较高，影响了设备的输出性能。另外，温差25摄氏度的工作条件可能也只适合室内环境或者天气宜人的春秋季节，而真正实用的柔性设备需要适应更加多样化的工作环境。

银铜碲硒硫合金【AgCu(Te, Se, S)】的研究展示了空位工程在材料科学中的强大潜力，不仅为热电材料开辟了新方向，也为柔性电子设备的普及铺平了道路。也许在不远的将来，我们就会在生活和工作中经常使用可穿戴设备，甚至用它们来收看科普视频了。