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

圖1. InSe單晶塊體的超常塑性。（A）晶體結構；（B-D）樣品可折疊或彎曲成“紙飛機”、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軸方向壓縮的應力-應變曲線及壓縮前后樣品照片。

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

科研人員聚焦一大類包含范德華力的二維結構材料，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”、彎成莫比烏斯環(huán)，表現(xiàn)出罕見的大變形能力。非標力學試驗結果進一步證實了材料的超常塑性，其壓縮工程應變可達80%，特定方向的彎曲和拉伸工程應變也高于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構和化學鍵密切相關。這些多重、非局域的較弱作用力一方面促進層間的相對滑移，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塑性變形機制與機理。（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）常見六方結構二維材料的面內楊氏模量；（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)，二維結構范德華半導體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)無機非金屬半導體的優(yōu)異物理性能，又可以像金屬一樣進行塑性變形和機械加工，在柔性和可變形熱電能量轉換、光電傳感等領域有著廣闊的應用前景。此項研究也為其他新型塑性和可變形半導體的預測和篩選提供了理論依據(jù)。