材料学家的科研日常

彭立明

电子材料

建筑材料

纺织材料

“全能型选手”

——材料学家

自人类步入现代社会以来，材料学家的目光逐渐投向半导体材料、纳米材料、生物材料、高分子材料、电子信息材料等高新材料。丰富的研究内容也意味着材料科学变得包罗万象，这就要求材料学家对物理、化学、生物、数学、计算机等领域都要有一定的了解。

一般来说，材料学家的研究内容包括：

1.了解材料——通过先进的技术，分析和描述材料性能、结构和组成，以便更好地理解和应用这些材料；

2.制造和改造材料——根据需求，通过一些方法来调整材料的物理、化学性能；

3.使用材料——将不同的材料组装、集成为一系列可正常使用的功能性器件（例如可实现热能和电能相互转换的器件）；

4.预测材料——通过计算材料学（材料科学与计算机科学的交叉学科）的方法来预测和解释不同材料间的本质规律。

发现，而后改造

材料科学的世界丰富多彩，因此，材料学家往往会聚焦于某个目标开展一段研究。目前，我们的工作就主要集中在塑性无机半导体材料领域。

塑性无机半导体材料具有神奇的弯曲、变形能力

Ag2S 的晶体结构

传统的无机半导体材料（例如硅、碳化硅等）都是脆性材料——在外力作用下，仅产生很小的变形就会发生断裂，进而导致器件失效。近年来，我们实验室发现了一种室温下具有塑性（材料在受力时能够发生不可逆的变形，即材料受到外力后会永久改变形状）的无机半导体材料——Ag2S（硫化银）材料，它能够在室温下随意被弯折、扭曲，且不会发生断裂，具有类似金属和塑料的变形能力。

从微观角度来说，目前我们认为Ag2S材料的塑性来源如下：其内部Ag原子和S原子按照某种规律排列的晶体结构和原子相互之间的作用力，使得在受力过程中的原子层之间更容易发生滑移，而不易于解离即断开，因此才产生了宏观上的弯曲、变形。

Ag2S 材料制备的可穿戴半导体器件示意图

 Ag2S材料制备的可穿戴半导体器件实物图。图中，该器件利用人体与环境的温差产生了一定的电压输出

然而，这种材料也有美中不足之处——纯的Ag2S材料导电能力很差，如果做成相应的器件，大部分能量会损失。因此，我们希望通过调控Ag2S材料的结构或化学组成来提高它的电导率。

我们使用了同主族化学元素固溶的方法——即制备原材料的时候，按照一定的比例使用Se和Te元素取代S元素的原子位置——改變了Ag2S材料原有的组成结构。最终，我们获得了兼具良好塑性和导电性能的Ag2（S，Se，Te）多元化合物，并在此基础上制备了柔性可穿戴器件。

实验室之外

在科研之余，我的导师时常教导我们：多出去玩、多运动、多思考，即在认真、刻苦做好自己分内工作的同时，也应当热爱生活、发散思维，多与不同学科的优秀学者进行思维碰撞，以拓展自己的视野。有时候，我们在当下遇到的科研上的小难题，对于其他学科来说很可能只是常识性问题；也或许，一些问题的答案就在跑步、绘画、歌唱的生活间隙中柳暗花明。材料科学的发展，就是在一次次的灵感迸发中“积跬步而至千里”的。

在高速发展的信息时代，材料科学肩负着国家和人类发展的重任，材料学家在航空航天、新能源、电子电路、医药、建筑等行业发挥着关键作用。希望各位有志于材料科学研究的同学们，脚踏实地、仰望星空，热爱生活、永怀热忱！

（责任编辑 / 代竹蕊  美术编辑 / 周游）

导师与学生在日常实验中进行交流