北工大《Science》評述：首次發現超強塑性變形單晶材料！

導讀：塊體形態下的范德瓦爾斯材料往往較脆，限制了其加工方式和應用前景?！禨cience》上報道了InSe單晶超常規的塑性性能。對此，北京工業大學韓曉東教授發表評述，展望了其在鍛造加工和實際應用方面的潛能。

范德瓦爾斯（vdW）材料由2D層牢固結合而成，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，廣泛用于工業生產的電極，潤滑劑，纖維，熱交換器和電池中。它的單層形式石墨烯，開創了具有可調厚度、帶隙、電子約束效應的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。韓曉東教授對此發表了評論，展望了其在機械加工、轉化應用等方面的優勢，發表在同期《Science》的PERSPECTIVE專欄中。

論文鏈接：

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

2D平面內的強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，因為在拉應力或壓應力下，沒有合適的途徑容納層內和層間的原子運動。對于這類材料，傳統的機械加工方法，例如鍛造，通常是不可能的。事實上，2D的薄層可以從3D單晶中剝取。剝層法十分高效，但是所得的薄層難以精確重制，它們容易破碎且尺寸較小。

對于大型2D材料的生產，熱加工（類似于薄金屬板的軋制）是一種引起廣泛關注的工藝方法，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現值得注意。室溫下，其壓縮應變可超過～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異質結構。InSe納米薄片不僅可以與其他2D晶體組合進行垂直堆疊，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。與傳統的剝離和蒸發技術相比，這種獨立的InSe-M異質結構將允許更多的組合。通過改變材料厚度或施加應變，可以直接或間接地調整薄層InSe的帶隙。2D InSe-M異質結構可與產生極化激元的2D材料結合使用，進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成功制出，并顯示出突出的物理性質，如極化熱電性能。因此，迫切需要擴展該領域的研究并制定設計延性vdW材料的一般規則。通過融合金屬材料技術和vdW半導體材料的制造智慧，二維領域和柔性電子技術可能會出現許多新的機遇。

（文：岳夏）