導讀：作者在范德瓦爾斯無機半導體中首次發現了體積單晶InSe特殊的變形能力和塑性，其在塊體形態下可任意彎折扭曲而不破碎，甚至能夠折成“紙飛機”、繞成莫比烏斯環，表現出罕見的塑性變形能力。InSe單晶超常規的塑性性能使其未來在柔性和可變形熱電能量轉換、光電傳感等領域有著廣闊應用前景。

無機半導體用途多樣，在許多關鍵的應用中都是至關重要的，如在信息、傳感器、催化和能源技術方面都有廣泛的應用。大多數大塊無機半導體在環境條件下本質上是脆的。由于固有塑性和變形能力的缺乏，限制了有機半導體的應用范圍。雖然摻雜或合金化可能會改變無機半導體的電、磁、光學和熱性能的數量級，但摻雜幾乎不能賦予任何可塑性和變形能力。然而，一些例子表明，情況并非總是如此。

由于光激發載流子的捕獲和位錯核之間的靜電相互作用抑制了塑性變形，塊狀單晶ZnS在正常光照下脆性，但在環境溫度完全黑暗時塑性變形。塊狀的脆性材料也可表現出納米線的可塑性。維范德瓦爾斯(2D vdW)無機材料在剝離后，變薄為單層或幾層后，獲得柔韌性。這遵循了彎曲模量與厚度的立方成比例的一般規律，因此可以通過減小其橫截面面積來降低體塊材料的剛度。因此，單層或少層二維vdW無機半導體在納米電子學領域具有廣闊的應用前景。

近日，中科院上海硅酸鹽研究所、上海交通大學等單位聯合報道了硒化銦(InSe)的超塑性變形性能。大塊的單晶InSe可以被壓縮數量級，并在室溫下變形成莫比烏斯帶。制備得到的二維范德瓦爾斯無機半導體具有特殊的塑性，這是由于通過范德瓦爾斯間隙的長程內In-Se庫侖相互作用和層內In-Se軟鍵所介導的層間滑動和層間位錯滑移。作者提出了一種組合變形指標來預選下一代可變形或柔性電子器件中使用的候選塊狀半導體。相關論文以題為“Exceptional plasticity in the bulk single-crystalline van der Waals semiconductor InSe”發表在Science上。

論文鏈接

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

圖1. InSe單晶的變形能力。(A) b-InSe的晶體結構和在(110)和(001)平面上的投影。(B)生長晶體和(C)解理表面。(D-F) InSe單晶被變形成各種形狀而不破裂。(G)折疊晶片的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。壓縮工程應力-應變曲線沿(H)和垂直(I) c軸。

圖2. 微觀表征和原位掃描電鏡壓縮試驗揭示了InSe的塑性機理。(A-C)晶體變形的瞬態分析;區域軸沿(A)，垂直于[(B)和(C)] c軸。(A)滑步是層間容易滑動的結果。插圖是從暗場干(IFT-DF-STEM)的圖像附近的滑步(橙色虛線)的傅里葉反變換。[(B)和(C)]邊緣位錯的IFT-DF-STEM圖像。黃線突出錯位的邊緣。(D-G) InSe微柱沿[(D)和(E)]和垂直于[(F)和(G)] c軸的原位掃描電鏡壓縮試驗顯示層間滑動。

圖3. InSe的鍵合性質。(A) InSe和其他幾個六方二維無機半導體的層內模量。(B)幾種代表性材料的計算滑移能量(Es，紅色，左軸)和劈理能量(Ec，藍色，右軸)。(C)差電荷密度和(D)在(110)平面上的投影。(E)電荷密度。(F)電子定位函數(ELF)。(G-I) COHPs用于層間In-Se鍵合(G)、層內In-Se鍵合(H)和層內In-In鍵合(I)。

圖4. 變形因子= (Ec/Es)(1/Ein)作為帶隙(Eg)的函數。Ec和Es分別為滑移系的解理能和滑移能;Ein是沿滑移方向的楊氏模量。

總的來說，在這項工作中，作者在范德瓦爾斯無機半導體中首次發現了體積單晶InSe特殊的變形能力和塑性。在可變形和柔性熱電器件、傳感器、光電探測器、電能器等方面具有潛在應用。綜合實驗和理論研究的結果證實，這種特殊的力學性能源于層內的柔韌性和層間跨越范德華間隙的長程庫侖相互作用，是子結構的保留和多條易滑移通道之間的權衡和協同作用。作者認為這項工作提出的變形因子將有助于指導材料開發，以發現在下一代可變形或柔性電子器件中有用的其他塊狀半導體。（文：Caspar）

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