这世界上的万千种材料，大体可以分成两类——脆性的和塑性的。我们可以将这两类材料比作成“饼干”和“牛轧糖”。饼干是脆性的，一旦受力，容易折断。牛轧糖则不然，受力后会先经过很大的变形，之后才会断裂，这可以被称为塑性。
一种材料是“饼干型”还是“牛轧糖型”，很大程度上取决于本身的性质，包括构成元素、微观结构和处理工艺等。比如，金子就是典型的“牛轧糖型”，它具有很好的延伸性，即便我们用锤子把金块敲打成薄薄的金箔也不会破碎。此外，环境条件也可以影响到塑性和脆性。最典型例子的就是温度。一般来说，温度越低，材料越容易变脆——在冬天的东北，牛轧糖放在室外都可以直接掰断。而硅材料，室温下是脆性的，在750℃的高温中，就会变成塑性。
众所周知，半导体材料在如今的电子领域扮演着至关重要的作用。手机、电脑、电视、收音机，这些与我们朝夕相处的电子产品都离不开半导体。在室温下，常见的半导体材料大多是脆性的，而这种脆性极有可能导致器件失效。
有没有一种方法，来改善半导体的性能，把它从“饼干型”变成“牛轧糖型”呢？
有，而且很简单，那就是——“别照光”。
最近，来自日本名古屋的科学家们，发现了黑暗的环境可以使一种半导体材料从脆性转变为塑性，相关的报道发表在本周的《科学》（Science）杂志上[1]。
本次的主角是硫化锌（ZnS）。这种材料又叫闪锌矿，是一种宝石。常见的闪锌矿因为含有杂质，而显现出黄色或棕色等色彩。纯净的闪锌矿是透明的，在光电子器件中有广泛应用。
作为宝石的硫化锌，其中的黄色是因为含有微量金属杂质，图片来源：Patrickvoillot.com
一般情况下，这种硫化锌材料是典型的“饼干型”，受到外力时基本是“嘎嘣碎”。而研究者们发现，如果在完全黑暗的条件中对硫化锌晶体进行力学测试，它却能展现出非凡的“塑性”。
实验人员在室温下，对硫化锌施加了三种光照条件：一种是普通的白光，第二种是紫外光，第三种是完全黑暗。实验结果显示，在普通白光和紫外光的照射下，硫化锌晶体表现的是常见的脆性——对材料施加足够的力量，就会立即断裂，甚至破碎。相反，如果在完全黑暗的环境中，发现硫化锌晶体可以发生高达45%的变形量而不被破坏。也就是说，这块小晶体虽然被压扁了一半，却仍然保持稳定。
实际上，在其他一些半导体材料中，也发现过光照影响材料力学性能的例子。比如，有研究发现紫外线的照射可以让一种特定半导体材料变硬，并用到专门的概念来描述这一现象，即所谓的“光塑性效应”[2]。然而，从没有人意识到全黑的环境对材料的塑性影响如此之大。
（A）硫化锌晶体，（B）在普通的光环境下，机械测试后晶体被粉碎性破坏，（C）在完全黑暗中， 硫化锌晶体变得具有塑性。 图片来源: Nagoya-u.ac.jp
为什么会有如此神奇的现象？这就需要从微观的层面进行解释了。为了更好地帮助大家理解这个问题，我们需要先引入一个有趣的术语，名叫“位错”。
“位错”，从字面来看是说位置错了，在这里其实特指原子排列的位置发生错误。在金属和半导体这些材料中，原子本来是按照特定方式规则排列的。而如果某个原子的位置发生了偏移，或者在某处丢失了一个原子，那么就会形成“位错”。
位错理论的提出，源于材料学上一个长期存在的巨大疑问。
1926年，苏联物理学家弗仑克尔计算发现，要想拉断理想的金属晶体，需要1~10千兆帕的应力——几乎相当于1头成年非洲象站在1平方厘米的面积上。而实际中测得的这些金属的强度，仅为理论数值的千分之一。如此巨大的差异，让科学家们一时摸不着头脑。直到8年之后，三位不同国家的科学家，几乎同时提出了位错理论，才化解这一矛盾。
原来，晶体其实并不像人们之前认为的那么完美，它们内部原子的排列会有局部的缺陷，而这些缺陷就形成了位错。当材料受力的时候，这些位错会发生移动，从材料的内部移动到表面（这一过程可以由下面的动图表示）。对于完美的晶体，拉断它们需要打断横截面上的所有原子。而对于有位错的晶体，只要破坏位错附近少数原子即可，因此所需的外加力量将大大降低[3]。
图片来源: Corematerials
位错概念刚提出时，仅仅是一个初步的猜想。然而，它却可以合理地解释原来很多无法理解的实验现象，因而得到很多学者的支持。随着科技的发展，特别是先进显微镜技术的飞跃，人们终于可以观测到原子级的微观结构，最终证实了位错的存在。
再回到硫化锌，受不同光照条件的影响，晶体中的电子会有不同的分布状态。黑暗中的电子分布状态有利于产生更多的位错。而且，此时产生的位错是“滑移型”，这种特殊的位错形式使材料更容易发生变形。随着这些原子级别的差异逐渐累积，在肉眼可见的尺度上，最终促成了硫化锌晶体从“饼干”向“牛轧糖”的转变。
扫描透射电子显微镜下观察不同状态硫化锌中的位错（A）原始样品（B）黑暗中变形后的样品，其中颜色较深的“蜿蜒细线”就是位错。可明显看出黑暗中样品的位错更为密集。图片来源：参考文献[1]
位错的影响，还远不止变形这么简单。如果你观察足够仔细，会发现在黑暗中压扁的硫化锌，颜色由透明转成了橙棕色。俗话说“相由心生”，晶体颜色往往也是其成分、微观结构等深层次信息的外观反映——大量的位错其实引发了硫化锌在电学、光学性质的改变，进而反映在了颜色改变上。
科学家们在这项研究中不仅展示了硫化锌的“变身大法”，揭示晶体力学性质的光敏特性，还为半导体设计提供新的思路——说不定未来的半导体加工制造过程，需要通过开灯不开灯来控制呢。
看似平凡无奇的硫化锌，都因蕴藏着超凡性质化身“超级半导体”。不知这世上的万千种材料，还有多少奥秘等待发现。
题图来源：《变形金刚》剧照
参考文献：
[1] Oshima Y., Nakamura, A., & Matsunaga, K. (2018). Extraordinary plasticity of an inorganic semiconductor in darkness. Science, 360(6390), 772-774
[2] Yannopoulos, S. N., & Trunov, M. L. (2009). Photoplastic effects in chalcogenide glasses: A review. Physica Status Solidi (B), 246(8), 1773-1785.
[3] 胡赓祥, 蔡珣, & 戎咏华. (2000). 材料科学基础. 上海 上海交通大学出版.