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【导语】2025年，澳大利亚科学家在《自然通讯》上发表了一项革命性研究成果——利用“空位工程”技术，成功开发出一种柔性半导体材料，能高效地将人体热量转化为电能。这一突破不仅为柔性电子设备提供了新的能源解决方案，也预示着电子设备形态的根本变革。本文将深入探讨柔性半导体的定义、关键难题、空位工程技术的奥秘，以及这一新突破的重大应用前景，带领读者走进这一科技前沿领域。

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(róu)性(xìng)半(bàn)导(dǎo)体(tǐ)材(cái)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(lì)于(yú)配(pèi)合(hé)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(chuàng)纪(jì)录(lù)的(de)ZT值(zhí)0.83，在(zài)目(mù)前(qián)同(tóng)类(lèi)材(cái)料(liào)中(zhōng)是(shì)最(zuì)高(gāo)水(shuǐ)平(píng)。

这(zhè)种(zhǒng)材(cái)料(liào)不(bù)仅(jǐn)热(rè)电(diàn)性(xìng)能(néng)出(chū)色(sè)，还(hái)具(jù)备(bèi)惊(jīng)人(rén)的(de)可(kě)塑(sù)性(xìng)。在(zài)三(sān)点(diǎn)弯(wān)曲(qū)测(cè)试(shì)中(zhōng)，含(hán)S的样品能够承受高达10%的应变，而普通银(yín)铜(tóng)碲(dì)合(hé)金(jīn)（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(jiān)的(de)接(jiē)触(chù)电(diàn)阻(zǔ)较(jiào)高(gāo)，影(yǐng)响(xiǎng)了(le)设(shè)备(bèi)的(de)输(shū)出(chū)性(xìng)能(néng)。另(lìng)外(wài)，温(wēn)差(chà)25摄(shè)氏(shì)度(dù)的(de)工(gōng)作(zuò)条(tiáo)件(jiàn)可(kě)能(néng)也(yě)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。