北工大《Science》評述：首次發(fā)現(xiàn)超強(qiáng)塑性變形單晶材料！

導(dǎo)讀：塊體形態(tài)下的范德瓦爾斯材料往往較脆，限制了其加工方式和應(yīng)用前景。《Science》上報道了InSe單晶超常規(guī)的塑性性能。對此，北京工業(yè)大學(xué)韓曉東教授發(fā)表評述，展望了其在鍛造加工和實際應(yīng)用方面的潛能。

范德瓦爾斯（vdW）材料由2D層牢固結(jié)合而成，在第三個方向上，層間通過較弱的色散力相互作用。石墨是一種vdW材料，廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)的電極，潤滑劑，纖維，熱交換器和電池中。它的單層形式石墨烯，開創(chuàng)了具有可調(diào)厚度、帶隙、電子約束效應(yīng)的2D材料新時代。盡管這些vdW材料具有天然的柔韌性，但除硫化銀（Ag₂S）之外的大多數(shù)vdW材料，其堆垛后的塊狀形式都是脆性的，這一特點可能會造成加工方式及應(yīng)用前景的限制。

《Science》上報道了中科院上海硅酸鹽研究所、上海交通大學(xué)等單位的研究成果（點擊查看）—單晶形式的硒化銦（InSe）具有出色的可塑性，其在塊體形態(tài)下可任意彎折扭曲而不破碎，甚至能夠折成“紙飛機(jī)”、繞成莫比烏斯環(huán)，表現(xiàn)出罕見的塑性變形能力。InSe單晶超常規(guī)的塑性性能使其未來在柔性和可變形熱電能量轉(zhuǎn)換、光電傳感等領(lǐng)域有著廣闊應(yīng)用前景。韓曉東教授對此發(fā)表了評論，展望了其在機(jī)械加工、轉(zhuǎn)化應(yīng)用等方面的優(yōu)勢，發(fā)表在同期《Science》的PERSPECTIVE專欄中。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1126/science.abd4527

2D平面內(nèi)的強(qiáng)鍵合以及層與層之間的弱vdW力使vdW材料的塑性變形十分困難，因為在拉應(yīng)力或壓應(yīng)力下，沒有合適的途徑容納層內(nèi)和層間的原子運動。對于這類材料，傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法，例如鍛造，通常是不可能的。事實上，2D的薄層可以從3D單晶中剝?nèi)　儗臃ㄊ指咝В撬玫谋与y以精確重制，它們?nèi)菀灼扑榍页叽巛^小。

對于大型2D材料的生產(chǎn)，熱加工（類似于薄金屬板的軋制）是一種引起廣泛關(guān)注的工藝方法，但需要大量材料具備更好的塑性變形能力。因此，硒化銦（InSe）具有出色的可塑性這一發(fā)現(xiàn)值得注意。室溫下，其壓縮應(yīng)變可超過～80％。包含～10⁵層的InSe合金薄片仍具有很好的彎曲性能，并且顯示出以前僅在單層石墨烯中才能實現(xiàn)的柔韌性。在所有vdW材料中(即使與Ag₂S相比)，InSe單晶都顯示出獨特的可鍛性。

通過熱軋制大規(guī)模制造2D材料很有吸引力，因為它可以大大降低成本。通過這種軋制工藝制成的大面積或長條狀材料，其面積將比原始板材大幾個數(shù)量級（見圖）。通過熱加工形成的厚度可控的vdW薄片可用于多種應(yīng)用，包括可變形和柔性熱電器件、傳感器、光電探測器、電能器等。

圖1 范德瓦爾斯材料的軋制過程

軋成納米級薄片的單晶InSe可用于與其他低維材料（M）一起制造基于InSe的2D異質(zhì)結(jié)構(gòu)。InSe納米薄片不僅可以與其他2D晶體組合進(jìn)行垂直堆疊，也可以與納米線，量子點甚至單個金屬原子或金屬氧化物集成在一起。與傳統(tǒng)的剝離和蒸發(fā)技術(shù)相比，這種獨立的InSe-M異質(zhì)結(jié)構(gòu)將允許更多的組合。通過改變材料厚度或施加應(yīng)變，可以直接或間接地調(diào)整薄層InSe的帶隙。2D InSe-M異質(zhì)結(jié)構(gòu)可與產(chǎn)生極化激元的2D材料結(jié)合使用，進(jìn)而具有磁光特性或熱電特性。

最近幾年，范德瓦爾斯材料的許多塊狀單晶已經(jīng)成功制出，并顯示出突出的物理性質(zhì)，如極化熱電性能。因此，迫切需要擴(kuò)展該領(lǐng)域的研究并制定設(shè)計延性vdW材料的一般規(guī)則。通過融合金屬材料技術(shù)和vdW半導(dǎo)體材料的制造智慧，二維領(lǐng)域和柔性電子技術(shù)可能會出現(xiàn)許多新的機(jī)遇。

（文：岳夏）