城大學者成功把無機鈣鈦礦變形而不損其功能特性

由香港城市大學（城大）學者共同領導的一支研究團隊，最近成功在室溫環境下把無機鈣鈦礦變形而又不損害其功能特性。他們的研究成果展示了這一類無機半導體擁有具大的發展潛力，在未來可應用於製造新一代的可變形電子產品和能源系統。

全無機鹵化鉛鈣鈦礦因其優秀的性能和強化了的環境穩定性，日漸成為能量轉換和光電領域的重要半導體材料。

「然而，與金屬材料或聚合物不同，無機半導體通常都比較脆，故難以加工。這大大限制了它們在光電產品中的應用，因為光電產品必須能夠承受機械應力和應變而不喪失其功能。」共同領導這項科學研究的香港城大協理副校長（內地合作）及材料科學講座教授陳福榮教授，指出了傳統無機半導體的弱點所在。

為了克服這一個重大限制，陳福榮教授與城大材料科學及工程學系副系主任何頌賢教授、城大機械工程學系趙仕俊教授以及該學系的前教授、現於香港大學任職的陸洋教授攜手合作，探索了全無機鈣鈦礦（CsPbX₃，其中X可以是Cl、Br或I離子）的可變形性。他們發現，鈣鈦礦在室溫下可以大幅度變形，成為不同的幾何形狀，兼能夠保持其功能特性，這是傳統無機半導體裡前所未見的。

在實驗中，研究團隊首先採用了「氣-液-固」方法合成及製造出直徑和寬度介乎0.4至2微米、長度介乎3至10微米的全無機鹵化鉛鈣鈦礦（CsPbX₃）單晶微柱。然後，他們用掃描電子顯微鏡進行了原位壓縮實驗。

他們發現，在壓縮、即加壓過程中，CsPbX₃晶格中的不全位錯（partial dislocations）在多重滑移系（multiple slip system）上連續滑移。這種骨牌式的多重滑移變形機制，使到鈣鈦礦微柱在不斷裂的情況下可變形為各種不同的形狀，包括倒置的 L 形、Z 形和酒杯形。

借助原子級分辨率的「透射電子顯微鏡」（TEM），研究團隊發現單晶微柱變形區的原子連接良好，故其功能特性未受破壞。何頌賢教授說：「我們還觀察到，微柱的光電性能不受變形的影響。這證明了這種材料在可變形光電領域中的應用潛力。」

研究團隊又進行了更深入的電子和結構分析，以揭示這種不尋常特性的物理起源。專門研究計算材料特性的趙仕俊教授解釋了最新發現的背後原理：「變形能力的秘密在於低滑動能壘（energy barrier），確保了容易滑移，以及強大的Pb-X鍵保持了晶體結構的完整性，防止它在壓力下裂開或出現劈裂。」他補充，CsPbX₃晶格的能帶間隙（影響半導體總電性能的能量指標）在變形後仍保持不變，表明材料的電子結構未受影響。

陳福榮教授總結說：「我們的研究結果表明，全無機CsPbX₃單晶體可以在室溫環境下通過多重滑移實現大幅變形，並能夠很容易變形為各種形狀，而不會改變其晶體完整性、晶格結構或光電特性。」

他續說：「這研究成果意味著我們在設計和製造新穎能源設備和可變形電子產品方面邁出了重要一步。透過分辨率達到原子級水平的透射電子顯微鏡，我們揭示了新發現背後的基本機制，這為尋找其他本質上具有靭性的半導體提供了重要的啟示。」

上述研究成果已於科學期刊《自然-材料》（Nature Materials）上發表，題為 〈Multislip-enabled morphing of all-inorganic perovskites〉。

論文的第一作者是城大材料科學及工程學系博士後李曉翠博士、孟優博士和李萬鵬博士。通訊作者為城大陳福榮教授、何頌賢教授、趙仕俊教授和香港大學陸洋教授。其他合作者包括來自城大和浙江大學的研究人員。

今次研究獲得多方的支持，包括香港研究資助局、城大，以及國家自然科學基金及研究資助局聯合科研資助基金。