近日，上海硅酸鹽所陳立東、克萊姆森大學(xué)He Jian與上海交通大學(xué)史迅等合作，在無(wú)機(jī)塑性半導(dǎo)體領(lǐng)域取得重大突破，相關(guān)成果以“Exceptional plasticity in?the bulk single crystalline van der Waals semiconductor InSe”為題發(fā)表在Science上（Science, 2020, 369(6503): 542-545。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(wú)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。陳立東研究員、史迅研究員、?He Jian教授為本文通訊作者；魏天然助理教授、金敏教授、王悅存副教授為共同第一作者。該研究參加單位包括上海交通大學(xué)、上海硅酸鹽所、上海電機(jī)學(xué)院、西安交通大學(xué)、中科院寧波材料所、Clemson University。
當(dāng)前，柔性電子領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，推動(dòng)著社會(huì)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。然而，現(xiàn)有的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體盡管電學(xué)性能優(yōu)異，但通常具有本征脆性，其機(jī)械加工和變形能力較差；而有機(jī)半導(dǎo)體雖具有良好的變形能力，但電學(xué)性能普遍低于無(wú)機(jī)材料。開(kāi)發(fā)兼具良好電學(xué)和力學(xué)性能的新型半導(dǎo)體有望推動(dòng)柔性電子的迅速發(fā)展。
史迅與陳立東等開(kāi)創(chuàng)性地提出無(wú)機(jī)塑性新型半導(dǎo)體新概念，在具有優(yōu)異電學(xué)性能的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體中實(shí)現(xiàn)良好可加工和變形能力，將有機(jī)材料和無(wú)機(jī)材料的優(yōu)點(diǎn)合二為一。2018年，他們發(fā)現(xiàn)了首個(gè)室溫塑性半導(dǎo)體材料——Ag2S，并揭示了其塑性變形機(jī)制（Nature Mater.?2018, 17: 421）；隨后通過(guò)電性能的優(yōu)化使其同時(shí)具有良好柔性/塑性和熱電性能（Energy Environ. Sci.?2019, 12: 2983），開(kāi)辟了無(wú)機(jī)塑性半導(dǎo)體和柔性/塑性熱電材料新方向。
受Ag2S準(zhǔn)層狀結(jié)構(gòu)與非局域、彌散化學(xué)鍵特性的啟發(fā)，該研究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。對(duì)二維材料而言，單層或薄層樣品很容易發(fā)生彈性變形，表現(xiàn)出一定的柔性；然而，當(dāng)厚度增大時(shí)，二維材料通常因其較弱的層間作用力極易發(fā)生解理，因此塊體形態(tài)下的變形能力很差。而該研究發(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(jiàn)的大變形能力（圖1）。非標(biāo)力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)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%。
精細(xì)結(jié)構(gòu)表征和原位微納壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，InSe單晶塊體的塑性變形主要來(lái)自層間的相對(duì)滑動(dòng)和跨層的位錯(cuò)滑移（圖2A-C），進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)InSe的變形能力和塑性與其特殊的晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵密切相關(guān)。首先，InSe的面內(nèi)彈性模量?jī)H約53 GPa，遠(yuǎn)低于絕大多數(shù)二維晶體材料（圖2D），表明層內(nèi)本質(zhì)非?！叭彳洝?，較易發(fā)生彈性彎曲。其次，InSe具有獨(dú)特的層間相互作用，如圖2E所示，InSe（001）面之間相對(duì)滑移能壘極低，而解理能顯著高于其他二維材料以及典型的脆性材料，表明InSe易滑移難解理。差分電荷密度（圖2F）與晶體軌道分布密度（COHP）（圖2G）計(jì)算表明InSe相鄰層間除了Se-Se范德華力外，還存在著In-Se之間的長(zhǎng)程庫(kù)倫力。這些多重、非局域的較弱作用力一方面促進(jìn)層間的相對(duì)滑移，另一方面又像“膠水”一樣把相鄰的層“粘合”起來(lái)，抑制材料發(fā)生解理，同時(shí)保證了位錯(cuò)的跨層滑移。
基于InSe單晶特殊的力學(xué)性質(zhì)和化學(xué)鍵特性，該工作提出了一個(gè)評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)（準(zhǔn)）二維材料變形能力的X?因子：X?=?Ec/Es?(1/Ein)，其中Ec是解理能，Es是滑移能，Ein是沿著滑移方向的楊氏模量。具有高解理能、低滑移能、低楊氏模量的材料有望具有良好的塑性變形能力。該判據(jù)很好地解釋了目前已發(fā)現(xiàn)的兩種無(wú)機(jī)塑性半導(dǎo)體Ag2S和InSe，也為其他新型塑性和可變形半導(dǎo)體的預(yù)測(cè)和篩選提供了理論依據(jù)（圖3）。
該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金和上海市科委的資助和支持。
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