我国学者发现二维结构无机半导体单晶的超常塑性

我国学者发现二维结构无机半导体单晶的超常塑性

当前，柔性电子领域蓬勃发展，推动着社会的信息化和智能化进程。作为柔性电子器件的核心，半导体材料期望具有良好的电学性能与优异的可加工和变形能力。然而，现有的无机半导体尽管电学性能优异，但通常具有本征脆性，其机械加工和变形能力较差；而有机半导体虽具有良好的变形能力，但电学性能普遍低于无机材料。开发兼具良好电学和力学性能的新型半导体有望推动柔性电子的迅速发展。

图1. InSe单晶块体的超常塑性。（A）晶体结构；（B）晶体铸锭与（C）解理面；（D-G）单晶片可折叠或弯曲成各种形状而不破裂；（H）沿c轴与（I）垂直c轴方向压缩的应力-应变曲线及压缩前后样品照片。 精细结构表征和原位微纳压缩实验结果表明，InSe单晶块体的塑性变形主要来自层间的相对滑动和跨层的位错滑移（图2）。进一步研究发现，InSe的变形能力和塑性与其特殊的晶体结构和化学键密切相关。首先，InSe的面内弹性模量仅约53 GPa，远低于绝大多数二维晶体材料（图3A），表明层内本质非常“柔软”，较易发生弹性弯曲。更重要的是，InSe具有独特的层间相互作用，如图3B所示，InSe（001）面之间相对滑移能垒极低，而解理能显著高于其他二维材料以及典型的脆性材料，表明InSe易滑移难解理。差分电荷密度（图3D）与晶体轨道分布密度（COHP）（图3G）计算表明InSe相邻层间除了Se-Se范德华力外，还存在着In-Se之间的长程库伦力。这些多重、非局域的较弱作用力一方面促进层间的相对滑移，另一方面又像“胶水”一样把相邻的层“粘合”起来，抑制材料发生解理，同时保证了位错的跨层滑移。

图3. InSe的成键特性。（A）六方结构典型材料的面内杨氏模量；（B）代表性材料的滑移能（Es）和解理能（Ec）；（C，D）差分电荷密度；（E）电荷密度；（F）电子局域函数；（G-I）层间In-Se键（G）、层内In-Se键（H）与层内In-In键（I）的晶体轨道哈密顿密度。 基于InSe单晶特殊的力学性质和化学键特性，该工作提出了一个评价和预测（准）二维材料变形能力的因子：= Ec/Es (1/Ein)，其中Ec是解理能，Es是滑移能，Ein是沿着滑移方向的杨氏模量。具有高解理能、低滑移能、低杨氏模量的材料有望具有良好的塑性变形能力。该判据很好地解释了目前已发现的两种无机塑性半导体Ag2S和InSe，也为其他新型塑性和可变形半导体的预测和筛选提供了理论依据（图4）。

图4. 不同材料的变形因子与禁带宽度图谱 该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和上海市科委的资助和支持。