Ein duktiler anorganischer Halbleiter bei Raumtemperatur

9. April 2018

Duktilität ist eine charakteristische Eigenschaft von Metallen und metallischen Materialien. Sie wird aber selten bei Halbleitern und Isolatoren beobachtet. Wissenschaftler des MPI CPfS und des Shanghai Institute of Ceramics der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (http://english.sic.cas.cn) berichten über hohe metallartige Duktilität für den Halbleiter a-Ag2S, der in verschiedenen elektronischen und optoelektronischen Geräten zum Einsatz kommen kann (Abb. 1). Das ist eins der Ergebnisse der langfristigen Zusammenarbeit von Arbeitsgruppen der Profs. Lidong Chen, Xun Shi und Yuri Grin. Ein einheitliches Bild wurde durch Kombination verschiedener Präparations- und Charakterisierungstechniken mit quantenchemischer Analyse der atomaren Wechselwirkungen erhalten. Die Unterdrückung der Spaltung dieses Materials beruht auf nicht-regulär verteilten Bindungen der Silberatome.

Im Gegensatz zu der Mehrheit der Halbleiter und Keramiken, die normalerweise spröde sind, ist das Silber-Sulfid α-Ag2S duktil wie ein Metall und ändert leicht die Form, ohne bei äußerer Belastung zu brechen. Sowohl Gussstücke, dargestellt durch Schmelzen der elementaren Metalle, als auch durch Spark-Plasma Sintern hergestellte Proben haben Dichten nahe dem theoretischen Wert. Beide Proben können ohne Probleme zu Zylindern gedreht werden. Dabei entstandene Späne sind dünn und drahtähnlich. Das Material kann leicht gehämmert oder stark deformiert werden, ohne zu brechen (Abb. 2). Das entstandene Gefüge zeigt charakteristische federartige Muster (Abb. 3).

Die Analyse der chemischen Bindung mit quantenchemischen Techniken im Ortsraum (QTAIM, ELI) zeigt moderaten Ladungsübertrag von Silber auf Schwefel und die Ausbildung von freien Elektronenpaaren am Schwefel. Diese sind in der Kristallstruktur Kopf-an-Kopf entlang zweier kristallographischer Ebenen angeordnet und zeigen relativ schwache Wechselwirkungen. Dies erlaubt die Verschiebung der strukturellen Einheiten entlang der Ebenen, was im Fall normaler ionischer Substanzen zur Spaltung des Materials führt. Im untersuchten Silbersulfid wird die Spaltung durch irregulär angeordneten Bindungen von Silberatomen unterdrückt, welche sich frei in der Struktur bewegen können (Diffusion, Abb. 4). 

CPfS / JG , UB

Abb 1. Eigenschaften des anorganischen Halbleiters α-Ag2S
Abb 2. Hergestellte und verformte Zylinder sowie entstandene Späne aus α-Ag2S
Abb 3. Gefüge des gebogenen polykristallinen Formkörpers aus a-Ag2S

Abb 4. Anordnung der freien Elektronenpaare an den Schwefelatomen (grün) der Kristallstruktur von α-Ag2S, die zur Ausbildung der Gleitebenen führt

Zur Redakteursansicht