很多范德华（vdW）层状材料具有强的层内键合和弱的层间相互作用，这使得使得它们很容易剥离成原子薄的二维薄膜，成为“二维材料”时，很多都显示出非常好的电学特性，这种类型的 vdW 层状材料，在未来柔性电子产品中具有广阔的潜力。与通常脆性的范德华材料不同，最近研究发现硒化铟（InSe）等范德华层状材料表现出了超高塑性，并有望用作后硅基半导体的弹道晶体管器件，从而引起极大关注。InSe、GaSe 和 MoS₂ 沿基面的拉伸断裂应变分别高达约 12%、 11% 和 9%，并且所有这些材料都可以在 20% 的弯曲应变下变形，这种超高塑性与层间滑动有关。此外，由于层间相互作用和高解理能的协同效应，跨层位错滑移的作用也得到了解决。然而，vdW层状材料塑性变形的全貌，特别是四层MX）比其他vdW层状材料和MX₂，尚不清楚。下载化学加APP到你手机，收获更多商业合作机会。。

在这里，作者研究了各种 vdW 层状材料塑性变形过程中的结构演变。他们发现施加机械载荷后会出现高密度的微裂纹和相变，这有效地缓解了应变并具有超高塑性。在之前的实验和理论研究中，与堆叠顺序相关的相变被忽视了。此外，层间滑动屏障在 2H 和 3R 堆叠顺序之间显示出明显差异，从而创建了阻止连续裂纹扩展和随后的灾难性故障的固定点。

（图片来源：Nat. Mater.）

首先，作者利用高分辨扫描透射电子显微镜揭示了材料在机械压缩下发生的范德华层堆叠顺序和相结构（图1）的变化。研究发现，金属和陶瓷等具有强原子结合力的晶体的塑性主要由位错、孪晶或晶界驱动，而 MX 材料则不同，它表现出一种独特的塑性变形模式，MX 材料的塑性变形是由相变、层间滑动和微裂缝共同促成的。机械加载会导致材料中形成高密度微裂缝和相变，从而有效地释放应变，促成材料的超高塑性。以往的研究忽视了堆叠顺序在相变中的重要性。此外，不同堆叠阶的层间滑动势垒差别很大，从而形成了可防止裂纹持续扩展和灾难性破坏的针刺点。研究人员展示了仅由机械力诱导的铟硒多晶体的出现。原始的 2H-InSe 单晶会转变为 InSe 多晶体，主要是 3R 相。这种相变不同于常见的热处理。研究通过扫描透射电子显微镜（STEM）图像和 X 射线衍射（XRD）结果提供了证据。作者强调了 2H-InSe 晶体的写入和绘制能力，展示了其宏观超高可塑性。这一特性有望应用于柔性电子材料、半导体增材制造和固态润滑剂。

（图片来源：Nat. Mater.）

作者发现，InSe 和 GaSe 等 MX 材料微裂缝附近的原子结构呈现出特定的模式。单层硒铟和硒镓中的微裂缝主要由 3R 堆积包围，表明堆积构型发生了变化。相比之下，只有 1L 的断裂没有形成位错。少层硒化铟和硒化镓中的微裂缝也显示出类似的模式，即主要被 3R 堆叠包围。

此外，研究还发现微裂缝附近存在相界和相变。相界和边缘位错是可能引发微裂缝的高应变区域。相变涉及从 2H 堆叠到 3R 堆叠的转变，并观察到称为 3R-MX 的中间阶段。这一中间阶段降低了相变所需的能量。

在单层和少层 MX 材料中都能观察到这些接缝。层内微裂缝的厚度可以变化，当它们相遇时，微裂缝的传播可以停止。这就形成了许多纳米宽度的微裂缝，而不会进一步扩展。

总体而言，MX 材料微裂缝附近的原子结构呈现出不同堆叠构型、相界和相变的组合（图3）。3R 堆叠、相界和跨层接头的存在对 MX 材料的机械行为和塑性起着至关重要的作用。

（图片来源：Nat. Mater.）

在MX 材料中丰富的局部相变区域导致层间堆积阶在大应变下发生变化。在相界或缺陷处均匀产生微裂缝，以放松应变。层间滑动较多的微裂缝区域可进一步促进相变。靠近微裂缝的新形成相会延缓层间滑动，阻止微裂缝的凝聚和发展。微裂纹网络产生了均匀的应变松弛，避免了严重的应变集中。这些发现的意义在于，它们让人们深入了解了 MX 材料与其他范德华（vdW）层材料相比所具有的优异塑性。这种认识有利于柔性电子材料的开发，并推进无机半导体晶体的增材制造。

（图片来源：Nat. Mater.）

相变势垒和层间滑动势垒是决定 MX 材料塑性的重要因素。相变势垒是指材料发生相变所需的能量。而层间滑动势垒则是指材料各层相互滑动或滑行所需的能量。

在 InSe 和 MoS₂ 等 MX 材料中，相变势垒对塑性起着至关重要的作用。与原来的 2H 相相比，3R 相的滑动能障显著增加，从而阻碍了微裂纹的扩展。这意味着 3R 相在变形过程中充当销点，而应变主要由易于滑动的 2H 相承载。这种 2H 滑动和 3R 针化 的概念是 MX 材料实现超高塑性的关键。

MX 材料中相变区域的存在使其能够在应变作用下重组层，从而形成主要由 3R 区域包围的微裂缝。这些由 3R 叠加微裂缝组成的自稳定接合点可防止完全断裂，并形成一个可强化结构的网络。滑行诱导的相变和层间滑行障碍有助于避免 MX 材料出现宏观断裂并增强其塑性。值得注意的是，相变势垒和层间滑动势垒的具体数值会因研究的 MX 材料而异

（图片来源：Nat. Mater.）

滑动引起的相变在 MX 材料的超高塑性中起着至关重要的作用。当对这些材料施加机械载荷时，会产生高密度微裂缝和相变，从而有效地释放应变，使其具有超强塑性。相变涉及层堆叠顺序的变化，这在以往的研究中被忽视了。层间滑动势垒在 2H 和 3R 堆积顺序之间表现出显著的差异，从而形成了防止裂纹持续扩展和灾难性破坏的销钉点。3R 相在变形过程中起到针点作用，而应变则主要由易于滑动的 2H 相承载。这种围绕微裂缝的 2H 滑动和 3R 针刺 概念是在 MX 材料（尤其是硒铟）中观察到的超高塑性的关键。滑行诱导的相变和由此产生的微裂纹网络有助于实现均匀的应变松弛，防止出现严重的应变集中。