Двумерные слоистые ван-дер-ваальсовы материалы благодаря своим превосходным и настраиваемым электрическим свойствам демонстрируют огромный потенциал применения в полупроводниковых и гибких электронных устройствах следующего поколения. Однако такие материалы повсеместно сталкиваются с серьёзными ограничениями в механических свойствах: сильные внутрислоевые ковалентные или ионные связи и слабые межслоевые ван-дер-ваальсовы взаимодействия приводят к выраженной механической хрупкости, из-за чего в процессе реальной эксплуатации они крайне подвержены внезапному разрушению и даже катастрофическому отказу. В настоящее время объёмные слоистые материалы, обладающие пластичностью при комнатной температуре, чрезвычайно редки, а их механизмы деформации в основном ограничены обычным межслоевым и внутрислоевым скольжением, сопровождаемым движением дислокаций, что приводит к макроскопическому удлинению при растяжении обычно ниже 12%, что в значительной степени препятствует их практическому интеграционному применению в деформируемых и гибких устройствах.

Хотя скрученные мойровые сверхрешётки способны нарушать исходную кристаллическую симметрию материала и на микроскопическом уровне регулировать новые квантовые эффекты и физические свойства, вопрос о том, как ввести мойровый угол скручивания в объёмные материалы для регулирования механических свойств, остаётся ключевой нерешённой задачей. Согласно традиционным представлениям, мойровые углы скручивания существуют преимущественно в двумерных гетероструктурах микро- и наномасштаба, а в макроскопических объёмных ван-дер-ваальсовых кристаллах не только трудно равномерно ввести контролируемое распределение углов скручивания, но и их способность служить подобными дислокациям каналами диссипации напряжений и обеспечивать значительную пластическую деформацию без разрушения внутрислоевого электронного переноса также не имеет системной теоретической поддержки и руководства по механизмам деформации. Поэтому поиск универсального и простого метода制备, позволяющего создавать регулируемые мойровые углы скручивания в объёмных слоистых полупроводниках и устранять компромисс между пластичностью и подвижностью, является важной задачей, которую необходимо решить в данной области.

Для решения上述 проблем объединённая команда, состоящая из Шанхайского института керамики, Чжэцзянского университета и других организаций, провела углублённое исследование с использованием системы in situ TEM измерений компании ZEPTOOLS, предложив новый механизм контролируемого введения межслоевых мойровых углов скручивания в объёмные ван-дер-ваальсовы полупроводники посредством внеосевого предварительного сжатия, что позволило успешно достичь значительного повышения макроскопической пластичности при растяжении вплоть до 360% при полном сохранении превосходных электрических свойств при комнатной температуре.

Название: Tuning moiré twist angles enhances tensile plasticity in bulk van der Waals crystals 
Журнал: Nature Materials 
Ссылка:https://doi.org/10.1038/s41563-026-02731-2

Данное исследование в первую очередь сосредоточено на проблеме макроскопической хрупкости при растяжении и регулирования пластичности объёмных слоистых ван-дер-ваальсовых материалов, и в нём инновационно предложена и подтверждена деформационная стратегия工程ированного индуцирования межслоевых мойровых углов скручивания с помощью внеосевого предварительного сжатия. Исследователи использовали тройной слоистый полупроводник GaGeTe в качестве типичной модельной системы и путём приложения малого угла наклона около 5° для внеосевой обработки смещением эффективно использовали неоднородное поле напряжений и сдвигающий крутящий момент для возбуждения широкомасштабного распределения межслоевых углов скручивания внутри объёмного материала. Результаты испытаний механических свойств при растяжении показали, что у кристалла GaGeTe после 10% оптимизированной внеосевой предварительной компрессии макроскопическая деформация растяжения при комнатной температуре значительно увеличилась с 8,3% у исходного образца до 30,0%, что обеспечило скачок пластичности при растяжении вплоть до 360%. Эта стратегия механической модификации была далее успешно распространена на различные бинарные и тройные объёмные ван-дер-ваальсовы системы, такие как InSe, GaS, GaSe, CrSiTe₃, InSiTe₃ и SnBi₂Te₄, что полностью доказало широкую материаловедческую универсальность регулирования механического поведения мойровыми углами скручивания в повышении пластичности слоистых кристаллов.

Для точного выяснения микроскопического механизма эволюции высокой пластичности при растяжении, индуцированной мойровыми углами скручивания, исследовательская команда провела систематический анализ методами просвечивающей электронной микроскопии in situ и квази-in situ при комнатной температуре. В процессе микроскопического отслеживания механического поведения исследовательская команда с помощью in situ держателя образцов для растяжения компании ZEPTOOLS в режиме контроля перемещения прикладывала количественную одноосную растягивающую нагрузку к прозрачной для электронного пучка тонкой области, в реальном времени фиксируя in situ динамическую информацию об эволюции мойровой сверхрешётки в процессе деформации кристалла под нагрузкой. Микроструктурная характеризация в сочетании с быстрым преобразованием Фурье и дифракционным анализом ясно показала, что непредварительно сжатый образец при растяжении способен возбуждать лишь малоугловые мойровые полосы менее 6,0°, тогда как внеосево сжатый образец заранее引入了 широкодиапазонную мойровую структуру с разбросом от 1,5° до 21,4°. В ходе последующей деформации растяжения микроскопические углы скручивания внутри образца постепенно непрерывно реорганизовывались и эволюционировали в сторону больших углов, таких как 13,1° и 21,4°, что подтвердило, что постепенное увеличение и реконструкция межслоевых углов скручивания являются ключевым микроскопическим процессом высвобождения макроскопической механической энергии и координации большой деформации.

На основе микроскопических экспериментальных наблюдений исследовательская команда углублённо исследовала физические причины и механизм диссипации энергии, обусловленные снижением барьера скольжения межслоевыми мойровыми углами скручивания. Расчёты из первых принципов на основе теории функционала плотности и поверхностей обобщённой энергии дефекта упаковки показали, что прямое построение крупноугловой мойровой структуры в исходном нескрученном кристалле требует преодоления относительно высокой энергии образования, но как только начальная мойровая конфигурация сформирована, энергетическое изменение, необходимое для последующей эволюции к более высоким углам скручивания, значительно снижается более чем на порядок величины. В то же время из-за наличия мойрового скручивания межслоевые взаимодействия Te-Te и Ga-Te значительно ослабляются, что приводит к резкому снижению барьера межслоевого скольжения примерно на два порядка величины, тогда как энергия расщепления материала остаётся практически постоянной, что приводит к увеличению отношения энергии расщепления к барьеру скольжения примерно на два порядка величины. Это чрезвычайно низкое сопротивление скольжению позволяет отдельным слоям в процессе растяжения подвергаться крупномасштабному относительному скольжению и перестройке скручивания при очень малом касательном напряжении, эффективно подавляя концентрацию напряжений и катастрофическое распространение микротрещин, что по своей сути объясняет механизм сосуществования высокой трещиностойкости и превосходной пластичности при растяжении.

Данное исследование в конечном итоге направлено на решение长期 существующего компромиссного ограничения между механической пластичностью и характеристиками электрического переноса в материалах гибкой электроники, и в нём оценено влияние индуцированной углами скручивания пластической деформации на структуру электронных зон и подвижность носителей заряда. Испытания электрических свойств и расчёты зон показали, что монокристалл p-типа GaGeTe обладает подвижностью дырок при комнатной температуре вплоть до 587 см²·В⁻¹·с⁻¹, а его межслоевая мойровая деформация скручивания полностью локализована внутри ван-дер-ваальсова зазора, при этом сильная внутрислоевая сеть химических связей и электронные состояния края зоны не разрушаются. Поэтому после внеосевого сжатия и повторяющейся деформации изгиба холловская подвижность и концентрация носителей заряда материала сохраняют чрезвычайно высокую стабильность, а изменение подвижности после 200 циклов изгиба составляет менее 1%. Этот результат успешно устраняет трудность традиционных слоистых полупроводников, связанную с невозможностью одновременно получить пластичность и подвижность, устанавливает проектную парадигму одновременного получения высокой макроскопической пластичности и превосходной стабильности электрического переноса посредством контролируемой ван-дер-ваальсовой мойровой инженерии, и обеспечивает прочную теоретическую основу и технический путь для разработки высокопроизводительных и высоконадёжных гибких и деформируемых полупроводниковых устройств следующего поколения.

ZEPTOOLS как китайская компания по производству высокоточных приборов премиум-класса является первоклассным поставщиком решений для in situ характеризации методом электронной микроскопии. Выпущенная ею серия решений для in situ характеризации методом просвечивающей электронной микроскопии PicoFemto последовательно обеспечивала техническую поддержку для важных научных результатов пользователей в стране и за рубежом. На рисунке ниже показан продукт — in situ держатель образцов для TEM компании ZEPTOOLS, использованный в данном исследовании: