《Science》首次发现！超强塑性变形能力，能折“纸飞机”的单晶材料

Original 材料科学与工程材料科学与工程 2022-09-08

导读：作者在范德瓦尔斯无机半导体中首次发现了体积单晶InSe特殊的变形能力和塑性，其在块体形态下可任意弯折扭曲而不破碎，甚至能够折成“纸飞机”、绕成莫比乌斯环，表现出罕见的塑性变形能力。InSe单晶超常规的塑性性能使其未来在柔性和可变形热电能量转换、光电传感等领域有着广阔应用前景。

无机半导体用途多样，在许多关键的应用中都是至关重要的，如在信息、传感器、催化和能源技术方面都有广泛的应用。大多数大块无机半导体在环境条件下本质上是脆的。由于固有塑性和变形能力的缺乏，限制了有机半导体的应用范围。虽然掺杂或合金化可能会改变无机半导体的电、磁、光学和热性能的数量级，但掺杂几乎不能赋予任何可塑性和变形能力。然而，一些例子表明，情况并非总是如此。

由于光激发载流子的捕获和位错核之间的静电相互作用抑制了塑性变形，块状单晶ZnS在正常光照下脆性，但在环境温度完全黑暗时塑性变形。块状的脆性材料也可表现出纳米线的可塑性。维范德瓦尔斯(2D vdW)无机材料在剥离后，变薄为单层或几层后，获得柔韧性。这遵循了弯曲模量与厚度的立方成比例的一般规律，因此可以通过减小其横截面面积来降低体块材料的刚度。因此，单层或少层二维vdW无机半导体在纳米电子学领域具有广阔的应用前景。

近日，中科院上海硅酸盐研究所、上海交通大学等单位联合报道了硒化铟(InSe)的超塑性变形性能。大块的单晶InSe可以被压缩数量级，并在室温下变形成莫比乌斯带。制备得到的二维范德瓦尔斯无机半导体具有特殊的塑性，这是由于通过范德瓦尔斯间隙的长程内In-Se库仑相互作用和层内In-Se软键所介导的层间滑动和层间位错滑移。作者提出了一种组合变形指标来预选下一代可变形或柔性电子器件中使用的候选块状半导体。相关论文以题为“Exceptional plasticity in the bulk single-crystalline van der Waals semiconductor InSe”发表在Science上。

论文链接

https://science.sciencemag.org/content/369/6503/542

图1. InSe单晶的变形能力。(A) b-InSe的晶体结构和在(110)和(001)平面上的投影。(B)生长晶体和(C)解理表面。(D-F) InSe单晶被变形成各种形状而不破裂。(G)折叠晶片的扫描电子显微镜(SEM)图像。压缩工程应力-应变曲线沿(H)和垂直(I) c轴。

图2. 微观表征和原位扫描电镜压缩试验揭示了InSe的塑性机理。(A-C)晶体变形的瞬态分析;区域轴沿(A)，垂直于[(B)和(C)] c轴。(A)滑步是层间容易滑动的结果。插图是从暗场干(IFT-DF-STEM)的图像附近的滑步(橙色虚线)的傅里叶反变换。[(B)和(C)]边缘位错的IFT-DF-STEM图像。黄线突出错位的边缘。(D-G) InSe微柱沿[(D)和(E)]和垂直于[(F)和(G)] c轴的原位扫描电镜压缩试验显示层间滑动。

图3. InSe的键合性质。(A) InSe和其他几个六方二维无机半导体的层内模量。(B)几种代表性材料的计算滑移能量(Es，红色，左轴)和劈理能量(Ec，蓝色，右轴)。(C)差电荷密度和(D)在(110)平面上的投影。(E)电荷密度。(F)电子定位函数(ELF)。(G-I) COHPs用于层间In-Se键合(G)、层内In-Se键合(H)和层内In-In键合(I)。

图4. 变形因子= (Ec/Es)(1/Ein)作为带隙(Eg)的函数。Ec和Es分别为滑移系的解理能和滑移能;Ein是沿滑移方向的杨氏模量。

总的来说，在这项工作中，作者在范德瓦尔斯无机半导体中首次发现了体积单晶InSe特殊的变形能力和塑性。在可变形和柔性热电器件、传感器、光电探测器、电能器等方面具有潜在应用。综合实验和理论研究的结果证实，这种特殊的力学性能源于层内的柔韧性和层间跨越范德华间隙的长程库仑相互作用，是子结构的保留和多条易滑移通道之间的权衡和协同作用。作者认为这项工作提出的变形因子将有助于指导材料开发，以发现在下一代可变形或柔性电子器件中有用的其他块状半导体。（文：Caspar）

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