記者8月3日從西安交通大學(xué)獲悉，該校材料學(xué)院單智偉教授團(tuán)隊與上海交通大學(xué)、中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所等單位合作研究表明：無機(jī)InSe單晶半導(dǎo)體具有超常塑性。其相關(guān)研究成果以《二維結(jié)構(gòu)范德華半導(dǎo)體InSe塊體單晶的超塑性》為題，近日在國際著名期刊《科學(xué)》上在線發(fā)表。

圖1. InSe單晶塊體的超常塑性。（A）晶體結(jié)構(gòu)；（B-D）樣品可折疊或彎曲成“紙飛機(jī)”、莫比烏斯環(huán)、螺旋圈等各種形狀而不破裂；（E）沿c軸與（F）垂直c軸方向壓縮的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及壓縮前后樣品照片。

近年來，柔性電子領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，推動著社會的信息化和智能化進(jìn)程。作為柔性電子器件的核心，半導(dǎo)體材料期望具有良好的電學(xué)性能與優(yōu)異的可加工和變形能力。然現(xiàn)有無機(jī)半導(dǎo)體通常具有本征脆性，其機(jī)械加工和變形能力較差；有機(jī)半導(dǎo)體電學(xué)性能普遍低于無機(jī)材料。開發(fā)兼具良好電學(xué)和力學(xué)性能的新型半導(dǎo)體成為現(xiàn)實需求。

科研人員聚焦一大類包含范德華力的二維結(jié)構(gòu)材料，并在其中發(fā)現(xiàn)了具有超常塑性的InSe晶體。同時還發(fā)現(xiàn)不同于多晶形態(tài)下的脆性行為，InSe單晶二維材料在塊體形態(tài)下可以彎折、扭曲而不破碎，甚至能夠折成“紙飛機(jī)”、彎成莫比烏斯環(huán)，表現(xiàn)出罕見的大變形能力。非標(biāo)力學(xué)試驗結(jié)果進(jìn)一步證實了材料的超常塑性，其壓縮工程應(yīng)變可達(dá)80%，特定方向的彎曲和拉伸工程應(yīng)變也高于10%。

實驗表明，InSe單晶塊體的塑性變形主要來自層間的相對滑動和跨層的位錯滑移，InSe的變形和塑性與其特殊的晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵密切相關(guān)。這些多重、非局域的較弱作用力一方面促進(jìn)層間的相對滑移，另一方面又像“膠水”把相鄰的層“黏合”起來，抑制材料發(fā)生解理，同時保證位錯的跨層滑移。

圖2 InSe塑性變形機(jī)制與機(jī)理。（A）刃位錯的反傅里葉變換掃描透射暗場像（IFT-DF-STEM）；（B-C）掃描電鏡（SEM）下原位壓縮實驗，揭示了層間滑動與跨層滑移；（D）常見六方結(jié)構(gòu)二維材料的面內(nèi)楊氏模量；（E）滑移能與解理能；（F）差分電荷密度與（G）晶體軌道哈密頓分布密度（COHP），間接佐證了層間長程作用力的存在。

該研究發(fā)現(xiàn)，二維結(jié)構(gòu)范德華半導(dǎo)體InSe在單晶塊體形態(tài)下具有超常規(guī)的塑性和巨大的變形能力，既擁有傳統(tǒng)無機(jī)非金屬半導(dǎo)體的優(yōu)異物理性能，又可以像金屬一樣進(jìn)行塑性變形和機(jī)械加工，在柔性和可變形熱電能量轉(zhuǎn)換、光電傳感等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。此項研究也為其他新型塑性和可變形半導(dǎo)體的預(yù)測和篩選提供了理論依據(jù)。