科技日报记者 史俊斌 通讯员 问炀
记者8月3日从西安交通大学获悉，该校材料学院单智伟教授团队与上海交通大学、中国科学院上海硅酸盐研究所等单位合作研究表明：无机InSe单晶半导体具有超常塑性。其相关研究成果以《二维结构范德华半导体InSe块体单晶的超塑性》为题，近日在国际著名期刊《科学》上在线发表。
图1. InSe单晶块体的超常塑性。（A）晶体结构；（B-D）样品可折叠或弯曲成“纸飞机”、莫比乌斯环、螺旋圈等各种形状而不破裂；（E）沿c轴与（F）垂直c轴方向压缩的应力-应变曲线及压缩前后样品照片。
近年来，柔性电子领域蓬勃发展，推动着社会的信息化和智能化进程。作为柔性电子器件的核心，半导体材料期望具有良好的电学性能与优异的可加工和变形能力。然现有无机半导体通常具有本征脆性，其机械加工和变形能力较差；有机半导体电学性能普遍低于无机材料。开发兼具良好电学和力学性能的新型半导体成为现实需求。
科研人员聚焦一大类包含范德华力的二维结构材料，并在其中发现了具有超常塑性的InSe晶体。同时还发现不同于多晶形态下的脆性行为，InSe单晶二维材料在块体形态下可以弯折、扭曲而不破碎，甚至能够折成“纸飞机”、弯成莫比乌斯环，表现出罕见的大变形能力。非标力学试验结果进一步证实了材料的超常塑性，其压缩工程应变可达80%，特定方向的弯曲和拉伸工程应变也高于10%。
实验表明，InSe单晶块体的塑性变形主要来自层间的相对滑动和跨层的位错滑移，InSe的变形和塑性与其特殊的晶体结构和化学键密切相关。这些多重、非局域的较弱作用力一方面促进层间的相对滑移，另一方面又像“胶水”把相邻的层“黏合”起来，抑制材料发生解理，同时保证位错的跨层滑移。
图2 InSe塑性变形机制与机理。（A）刃位错的反傅里叶变换扫描透射暗场像（IFT-DF-STEM）；（B-C）扫描电镜（SEM）下原位压缩实验，揭示了层间滑动与跨层滑移；（D）常见六方结构二维材料的面内杨氏模量；（E）滑移能与解理能；（F）差分电荷密度与（G）晶体轨道哈密顿分布密度（COHP），间接佐证了层间长程作用力的存在。
该研究发现，二维结构范德华半导体InSe在单晶块体形态下具有超常规的塑性和巨大的变形能力，既拥有传统无机非金属半导体的优异物理性能，又可以像金属一样进行塑性变形和机械加工，在柔性和可变形热电能量转换、光电传感等领域有着广阔的应用前景。此项研究也为其他新型塑性和可变形半导体的预测和筛选提供了理论依据。
