无机半导体已广泛应用于光电器件、热电器件、功率电子器件、集成电路和传感器等领域。然而，其在常温下普遍存在的强度与韧性不足，严重制约了材料的加工制造与柔性应用。以硅芯片为例，其典型脆性表现为“一弯即断、一压即碎”，难以适应复杂应力条件。具体而言，强度不足直接影响半导体元件的加工成型、封装集成及微纳制造工艺；而韧性缺失则限制了材料在拉伸、压缩、循环弯曲及扭转变形等柔性场景下的可靠性与使用寿命。

 近期，必赢3003no1线路检测中心功能材料力学团队在功能半导体强韧化领域取得系列进展，相关研究成果分别以“Achieving High Strength and Ductility in Optoelectronic Semiconductor”、“Ultrahigh Tensile Ductility of Ag₂Te Nanowire at Room Temperature”和“Boundary Engineering‐Induced Strong Yet Ductile Bi₂Te₃Thin Film with High Thermoelectric Performance” 为题发表于 《Materials Today》和《Advanced Functional Materials》期刊。

    1. Materials Today：强韧兼备的“类金属”光电半导体

功能材料力学团队在光电半导体力学性能领域取得突破，实现了强度与韧性的协同提升，该项研究成果以“Achieving High Strength and Ductility in Optoelectronic Semiconductor”为题，发表于国际权威期刊《Materials Today》（中科院1区Top期刊,影响因子22）。冯骁斌副研究员、段波教授和黄敏博士为论文共同第一作者，李国栋教授为通讯作者。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2025.11.014

碲化镉（CdTe）是第二代光电半导体的代表，广泛应用于太阳能电池、探测器等领域。团队通过原位微纳力学测试发现，其单晶纳米柱在室温下可实现超过4 GPa的极限抗压强度与高达80%的压缩应变，且样品无裂纹与剪切带产生，性能远超多数半导体、陶瓷乃至金属。微纳尺度实验表征和计算模拟研究其机理表明，表面发射的全位错与位错锁相互作用，可形成位错网络，从而有效促进加工硬化并实现应变去局域化。团队进一步基于格里菲斯断裂和位错形核理论，提出了全新的变形判据，为筛选潜在韧性半导体提供了理论依据。

图1碲化镉光电半导体纳米柱的力学性能与变形机理图

    2. Advanced Functional Materials：具有高拉伸延展性的热电半导体纳米线

功能材料力学团队在碲化银（Ag₂Te）纳米线中实现了超高拉伸延展性，相关成果以“Ultrahigh Tensile Ductility of Ag₂Te Nanowire at Room Temperature”为题，发表于国际权威期刊《Advanced Functional Materials》（中科院1区Top期刊,影响因子19）。博士生吴珞祺和陆忠涛为论文共同第一作者，冯骁斌副研究员和李国栋教授为共同通讯作者。文章链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202423014

长期以来，研究人员致力于开发能够将温差直接转化为电能的热电器件。传统无机热电半导体虽具备良好的热电性能，却因强离子/共价键作用而存在本征脆性，制约其实际应用。为克服这一瓶颈，研究团队通过微纳加工技术制备Ag₂Te纳米线，实现高达75.7%的拉伸断裂应变，展现出优异的室温延展性。研究发现，其超高拉伸延展性源于多种变形机制的协同作用，包括位错滑移、层错形成以及变形孪晶。随着应变进一步增大，断口附近析出的纳米孪晶银桥可有效抑制裂纹扩展。该研究揭示了Ag₂Te在纳米尺度下的力学行为与变形机制，为柔性微器件的可靠性设计奠定了理论基础。

图2碲化银热电半导体纳米线的力学性能与变形机理图

    3. Advanced Functional Materials：界面工程实现高强韧性与热电性能的热电半导体薄膜

功能材料力学团队在碲化铋（Bi₂Te₃）热电薄膜研究中取得突破，实现了强度、韧性与热电性能的协同提升，相关成果以“Boundary Engineering-Induced Strong Yet Ductile Bi₂Te₃Thin Film with High Thermoelectric Performance”为题，发表于国际权威期刊《Advanced Functional Materials》（中科院1区Top期刊,影响因子19）。硕士生丁逸轩与博士生黄写格为论文共同第一作者，冯骁斌副研究员和李国栋教授为共同通讯作者。文章链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202517343

碲化铋作为一种具有优异热电性能的半导体材料，其低强度与本征脆性严重制约了在微型及可穿戴器件中的应用。针对这一难题，研究团队采用界面工程策略，成功制备出具有高密度层错的纳米晶碲化铋薄膜。该材料展现出优异的综合性能：屈服强度达363 MPa，拉伸断裂应变达7.3%和高功率因子。研究团队建立了纳米晶碲化铋薄膜的强化-软化理论模型，揭示了柱状约束层与层错诱导的扭折结构是实现强度与韧性协同提升的关键机制。基于这一策略开发的碲化铋柔性热电薄膜器件，在经历10,000次弯曲后电阻增长小于5%，同时可实现高电压和功率输出，展现出优异的力学可靠性与广阔的应用前景。

图3碲化铋热电半导体薄膜的强韧机理与柔性热电薄膜器件应用

    总结与展望：“脆性”已不再是半导体材料的固有标签。本系列研究不仅展现了功能与力学性能协同提升的巨大潜力，更开创了功能半导体材料强韧化设计的新范式。在不远的将来，我们有望迈入柔性半导体时代，届时，更耐用的柔性显示屏、可弯曲的太阳能电池、高可靠性的微纳机电系统将逐步成为现实。

    功能材料力学团队针对热电半导体材料和器件在使役环境及工业应用中的关键力学问题，重点开展材料原子分子尺度力学理论与方法、热电材料电热输运与力学性能调控机制、柔性/异形/大尺寸等新型热电发电与制冷器件优化设计及应用等方面的研究，取得了系列研究成果，为设计和制备高性能、高可靠性热电材料和器件提供了支撑。

    团队负责人李国栋，必赢3003no1线路检测中心教授，博士生导师。先后在美国加州理工学院和西北大学从事博士后研究，获得多项国家级、省部级荣誉。一直从事功能材料与微纳器件的跨尺度力学理论与方法研究及材料设计。主持基金委优秀青年基金、重大研究计划集成项目、重点基金课题等，担任Interdiscip. Mater.和Acta Mech. Sinica编委；以第一/通讯作者，在Matter、Mater. Sci. Eng. R.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Phys. Rev. Lett.、Acta. Mater.等刊物发表论文80余篇。

    段波，必赢3003no1线路检测中心教授、博士生导师。主要从事功能材料微结构、强塑性和输运性能的研究及器件设计；先后主持国家级自然科学基金4项，省部级基金2项，中央高校基础学科重点项目3项等。以第一/通讯作者，在Adv. Mater.、Matter、Mater. Today、Adv. Funct. Mater.、Small、Energy Environ. Sci.、Acta. Mater.、J. Mater. Sci. Technol.、J. Eur. Ceram. Soc.等期刊发表论文50余篇，授权发明专利5项。

    冯骁斌，必赢3003no1线路检测中心特任副研究员、硕士生导师。主要从事功能材料微纳米力学、半导体薄膜强韧化与器件设计和超材料结构功能一体化；主持国家自然科学基金重大研究计划子课题和湖北省自然科学基金。以第一/通讯作者，在Nat. Commun.、Adv. Mater.、Mater. Today、Adv. Funct. Mater.、Int. J. Plast.、J. Mater. Sci. Technol.等期刊发表论文20余篇，授权发明专利1项。

图/文：冯骁斌 编辑：何文卓  审核：何大平