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很多范德華（vdW）層狀材料具有強的層內鍵合和弱的層間相互作用，這使得使得它們很容易剝離成原子薄的二維薄膜，成為“二維材料”時，很多都顯示出非常好的電學特性，這種類型的 vdW 層狀材料，在未來柔性電子產品中具有廣闊的潛力。與通常脆性的范德華材料不同，最近研究發現硒化銦（InSe）等范德華層狀材料表現出了超高塑性，并有望用作后硅基半導體的彈道晶體管器件，從而引起極大關注。InSe、GaSe 和 MoS₂ 沿基面的拉伸斷裂應變分別高達約 12%、 11% 和 9%，并且所有這些材料都可以在 20% 的彎曲應變下變形，這種超高塑性與層間滑動有關。此外，由于層間相互作用和高解理能的協同效應，跨層位錯滑移的作用也得到了解決。然而，vdW層狀材料塑性變形的全貌，特別是四層MX）比其他vdW層狀材料和MX₂，尚不清楚。下載化學加APP到你手機，收獲更多商業合作機會。。

在這里，作者研究了各種 vdW 層狀材料塑性變形過程中的結構演變。他們發現施加機械載荷后會出現高密度的微裂紋和相變，這有效地緩解了應變并具有超高塑性。在之前的實驗和理論研究中，與堆疊順序相關的相變被忽視了。此外，層間滑動屏障在 2H 和 3R 堆疊順序之間顯示出明顯差異，從而創建了阻止連續裂紋擴展和隨后的災難性故障的固定點。

（圖片來源：Nat. Mater.）

首先，作者利用高分辨掃描透射電子顯微鏡揭示了材料在機械壓縮下發生的范德華層堆疊順序和相結構（圖1）的變化。研究發現，金屬和陶瓷等具有強原子結合力的晶體的塑性主要由位錯、孿晶或晶界驅動，而 MX 材料則不同，它表現出一種獨特的塑性變形模式，MX 材料的塑性變形是由相變、層間滑動和微裂縫共同促成的。機械加載會導致材料中形成高密度微裂縫和相變，從而有效地釋放應變，促成材料的超高塑性。以往的研究忽視了堆疊順序在相變中的重要性。此外，不同堆疊階的層間滑動勢壘差別很大，從而形成了可防止裂紋持續擴展和災難性破壞的針刺點。研究人員展示了僅由機械力誘導的銦硒多晶體的出現。原始的 2H-InSe 單晶會轉變為 InSe 多晶體，主要是 3R 相。這種相變不同于常見的熱處理。研究通過掃描透射電子顯微鏡（STEM）圖像和 X 射線衍射（XRD）結果提供了證據。作者強調了 2H-InSe 晶體的寫入和繪制能力，展示了其宏觀超高可塑性。這一特性有望應用于柔性電子材料、半導體增材制造和固態潤滑劑。

（圖片來源：Nat. Mater.）

作者發現，InSe 和 GaSe 等 MX 材料微裂縫附近的原子結構呈現出特定的模式。單層硒銦和硒鎵中的微裂縫主要由 3R 堆積包圍，表明堆積構型發生了變化。相比之下，只有 1L 的斷裂沒有形成位錯。少層硒化銦和硒化鎵中的微裂縫也顯示出類似的模式，即主要被 3R 堆疊包圍。

此外，研究還發現微裂縫附近存在相界和相變。相界和邊緣位錯是可能引發微裂縫的高應變區域。相變涉及從 2H 堆疊到 3R 堆疊的轉變，并觀察到稱為 3R-MX 的中間階段。這一中間階段降低了相變所需的能量。

在單層和少層 MX 材料中都能觀察到這些接縫。層內微裂縫的厚度可以變化，當它們相遇時，微裂縫的傳播可以停止。這就形成了許多納米寬度的微裂縫，而不會進一步擴展。

總體而言，MX 材料微裂縫附近的原子結構呈現出不同堆疊構型、相界和相變的組合（圖3）。3R 堆疊、相界和跨層接頭的存在對 MX 材料的機械行為和塑性起著至關重要的作用。

（圖片來源：Nat. Mater.）

在MX 材料中豐富的局部相變區域導致層間堆積階在大應變下發生變化。在相界或缺陷處均勻產生微裂縫，以放松應變。層間滑動較多的微裂縫區域可進一步促進相變。靠近微裂縫的新形成相會延緩層間滑動，阻止微裂縫的凝聚和發展。微裂紋網絡產生了均勻的應變松弛，避免了嚴重的應變集中。這些發現的意義在于，它們讓人們深入了解了 MX 材料與其他范德華（vdW）層材料相比所具有的優異塑性。這種認識有利于柔性電子材料的開發，并推進無機半導體晶體的增材制造。

（圖片來源：Nat. Mater.）

相變勢壘和層間滑動勢壘是決定 MX 材料塑性的重要因素。相變勢壘是指材料發生相變所需的能量。而層間滑動勢壘則是指材料各層相互滑動或滑行所需的能量。

在 InSe 和 MoS₂ 等 MX 材料中，相變勢壘對塑性起著至關重要的作用。與原來的 2H 相相比，3R 相的滑動能障顯著增加，從而阻礙了微裂紋的擴展。這意味著 3R 相在變形過程中充當銷點，而應變主要由易于滑動的 2H 相承載。這種 2H 滑動和 3R 針化 的概念是 MX 材料實現超高塑性的關鍵。

MX 材料中相變區域的存在使其能夠在應變作用下重組層，從而形成主要由 3R 區域包圍的微裂縫。這些由 3R 疊加微裂縫組成的自穩定接合點可防止完全斷裂，并形成一個可強化結構的網絡。滑行誘導的相變和層間滑行障礙有助于避免 MX 材料出現宏觀斷裂并增強其塑性。值得注意的是，相變勢壘和層間滑動勢壘的具體數值會因研究的 MX 材料而異

（圖片來源：Nat. Mater.）

滑動引起的相變在 MX 材料的超高塑性中起著至關重要的作用。當對這些材料施加機械載荷時，會產生高密度微裂縫和相變，從而有效地釋放應變，使其具有超強塑性。相變涉及層堆疊順序的變化，這在以往的研究中被忽視了。層間滑動勢壘在 2H 和 3R 堆積順序之間表現出顯著的差異，從而形成了防止裂紋持續擴展和災難性破壞的銷釘點。3R 相在變形過程中起到針點作用，而應變則主要由易于滑動的 2H 相承載。這種圍繞微裂縫的 2H 滑動和 3R 針刺 概念是在 MX 材料（尤其是硒銦）中觀察到的超高塑性的關鍵。滑行誘導的相變和由此產生的微裂紋網絡有助于實現均勻的應變松弛，防止出現嚴重的應變集中。