北工大《Science》评述：首次发现超强塑性变形单晶材料！

来源：材料科学与工程

导读：块体形态下的范德瓦尔斯材料往往较脆，限制了其加工方式和应用前景。《Science》上报道了InSe单晶超常规的塑性性能。对此，北京工业大学韩晓东教授发表评述，展望了其在锻造加工和实际应用方面的潜能。

范德瓦尔斯（vdW）材料由2D层牢固结合而成，在第三个方向上，层间通过较弱的色散力相互作用。石墨是一种vdW材料，广泛用于工业生产的电极，润滑剂，纤维，热交换器和电池中。它的单层形式石墨烯，开创了具有可调厚度、带隙、电子约束效应的2D材料新时代。尽管这些vdW材料具有天然的柔韧性，但除硫化银（Ag2S）之外的大多数vdW材料，其堆垛后的块状形式都是脆性的，这一特点可能会造成加工方式及应用前景的限制。

《Science》上报道了中科院上海硅酸盐研究所、上海交通大学等单位的研究成果（点击查看）—单晶形式的硒化铟（InSe）具有出色的可塑性，其在块体形态下可任意弯折扭曲而不破碎，甚至能够折成“纸飞机”、绕成莫比乌斯环，表现出罕见的塑性变形能力。InSe单晶超常规的塑性性能使其未来在柔性和可变形热电能量转换、光电传感等领域有着广阔应用前景。韩晓东教授对此发表了评论，展望了其在机械加工、转化应用等方面的优势，发表在同期《Science》的PERSPECTIVE专栏中。

2D平面内的强键合以及层与层之间的弱vdW力使vdW材料的塑性变形十分困难，因为在拉应力或压应力下，没有合适的途径容纳层内和层间的原子运动。对于这类材料，传统的机械加工方法，例如锻造，通常是不可能的。事实上，2D的薄层可以从3D单晶中剥取。剥层法十分高效，但是所得的薄层难以精确重制，它们容易破碎且尺寸较小。

对于大型2D材料的生产，热加工（类似于薄金属板的轧制）是一种引起广泛关注的工艺方法，但需要大量材料具备更好的塑性变形能力。因此，硒化铟（InSe）具有出色的可塑性这一发现值得注意。室温下，其压缩应变可超过∼80％。包含∼105层的InSe合金薄片仍具有很好的弯曲性能，并且显示出以前仅在单层石墨烯中才能实现的柔韧性。在所有vdW材料中(即使与Ag2S相比)，InSe单晶都显示出独特的可锻性。

通过热轧制大规模制造2D材料很有吸引力，因为它可以大大降低成本。通过这种轧制工艺制成的大面积或长条状材料，其面积将比原始板材大几个数量级（见图）。通过热加工形成的厚度可控的vdW薄片可用于多种应用，包括可变形和柔性热电器件、传感器、光电探测器、电能器等。

图1 范德瓦尔斯材料的轧制过程

轧成纳米级薄片的单晶InSe可用于与其他低维材料（M）一起制造基于InSe的2D异质结构。InSe纳米薄片不仅可以与其他2D晶体组合进行垂直堆叠，也可以与纳米线，量子点甚至单个金属原子或金属氧化物集成在一起。与传统的剥离和蒸发技术相比，这种独立的InSe-M异质结构将允许更多的组合。通过改变材料厚度或施加应变，可以直接或间接地调整薄层InSe的带隙。2D InSe-M异质结构可与产生极化激元的2D材料结合使用，进而具有磁光特性或热电特性。

最近几年，范德瓦尔斯材料的许多块状单晶已经成功制出，并显示出突出的物理性质，如极化热电性能。因此，迫切需要扩展该领域的研究并制定设计延性vdW材料的一般规则。通过融合金属材料技术和vdW半导体材料的制造智慧，二维领域和柔性电子技术可能会出现许多新的机遇。