β-InSe纳米片的厚度依赖拉伸强度与渐进失效行为——器件辅助原位SEM单轴拉伸研究

《Nanomaterials》：Uniaxial Tensile Behavior of β-InSe Nanosheets: Thickness-Dependent Strength and Progressive Failure

　　

层状硒化铟（indium selenide, InSe）是一种有前景的半导体，可用于光电子、热电和柔性器件应用，其机械可靠性对器件集成和运行至关重要。本研究采用器件辅助原位扫描电子显微镜（in situ scanning electron microscopy, SEM）单轴拉伸测试研究了β-InSe纳米片的力学行为。在所研究厚度范围内，首次失稳（first instability）应力总体随厚度减小而增大，最高测量值为0.972 GPa，首次失稳应变最高达7.383%。值得注意的是，首次失稳并未立即导致完全断裂：部分样品在初始失稳后继续承载，最高最终失效（final failure）应变达到约19.099%。实验结果进一步表明，纳米片厚度的不同部分在不同空间位置依次断裂，导致渐进失效（progressive failure）而非整个承载横截面瞬时断裂。这些发现为微/纳米尺度层状InSe纳米片的厚度相关拉伸响应和渐进失效行为提供了实验见解。

二维（2D）材料（指具有层状结构且横向尺寸为微/纳米尺度的材料）因独特层状结构和优异光电性能而受到关注。β-InSe是III–VI族二维层状半导体的代表，其基本结构单元为按Se-In-In-Se顺序排列的四个原子面；层内存在强化学键，相邻层主要通过较弱的范德华（van der Waals）相互作用耦合（层间弱非共价作用）。InSe在场效应晶体管、光电探测器、热电能量转换和柔性热电装置中具有应用前景，但功能材料的实际应用不仅取决于光电和热电性能，也取决于机械稳定性。强层内键合与弱层间作用共存，可能在外载下引起层间滑移、分层和断裂，并在柔性变形、器件制备以及热电器件温度梯度和热循环中损害结构完整性和长期可靠性。因此，表征微/纳米尺度InSe力学性能、阐明其变形和断裂过程，对理解层状结构与力学行为关系及提高InSe基器件可靠性十分重要。既往研究已从多尺度展开：Li et al. 用原子力显微镜（AFM）压痕研究悬浮InSe薄片，获得面内杨氏模量约101 GPa、断裂强度约8.68 GPa；屈曲（buckling）法得到更低杨氏模量；Beardsley et al. 用皮秒声学探测蓝宝石上机械剥离InSe，揭示弱界面机械耦合；理论计算预测理想单层InSe可承受较大面内拉伸应变并在高应变下发生应变诱导结构相变；Wei et al. 报道块体单晶InSe具有室温塑性，归因于层间滑移和跨层位错滑移；后续纳米压痕、全场应变分析和微结构研究表明层间/跨层滑移、键断裂与重建及马氏体相变可参与变形。与AFM压痕、屈曲和微柱压缩相比，原位单轴拉伸可在较明确面内应力状态下直接测量拉伸响应并实时跟踪失效演化，因此对悬浮InSe纳米片开展原位单轴拉伸很重要。

研究人员采用器件辅助原位SEM单轴拉伸结合结构表征，系统研究层状β-InSe纳米片拉伸力学响应和失效行为，定量分析拉伸应力、应变响应和厚度依赖，将力–位移曲线与原位形貌变化关联以考察多次失稳事件及首次失稳后的持续承载，并对块体单晶InSe进行原位纳米压痕以补充局部接触加载响应。研究发现β-InSe纳米片具有明显厚度依赖拉伸行为和渐进失效，为InSe基微/纳器件结构设计和机械可靠性评估提供了依据。

关键技术方法（不超过250字）：单晶β-InSe块体购自PuMat?（上海，中国，>99%纯度，约3–5 mm）。机械剥离纳米片，经聚二甲基硅氧烷（PDMS）辅助干转移至推拉（PTP）装置，原子力显微镜（AFM）三点测厚取平均并银胶固定。PTP安装于Hysitron Bruker? PI 88 PicoIndenter并置入JEOL? JEM-IT 500 HR/LA扫描电子显微镜（SEM）腔体，位移控制5 nm/s原位单轴拉伸，SEM 10 kV（尺寸测量3 kV），同步记录载荷–位移与形貌；X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、高分辨透射电子显微镜（HRTEM）和选区电子衍射（SAED）用于结构表征。块体InSe另作原位SEM纳米压痕：cube-corner压头轴向垂直(0 0 1)面，载荷控制300–3000 μN，加载/卸载20 s，峰值保持10 s，10点连续测试。

3.1 InSe纳米片的结构与厚度表征：XRD显示β-InSe以(0 0 L)反射为主，包括(0 0 2)、(0 0 4)、(0 0 6)、(0 0 8)和(0 0 12)峰，无明显其他取向或杂质相，表明(0 0 L)择优取向；HRTEM显示清晰连续晶格条纹，SAED斑点尖锐规则，说明高结晶有序；AFM测得代表性纳米片厚度约41.27 nm。结果确认样品良好结晶性和层状结构，与商用β-InSe一致，为拉伸测试提供材料基础。

3.2 InSe纳米片的单轴拉伸响应：研究人员将InSe纳米片转移至PTP装置并在SEM内原位拉伸，压头驱动PTP将外部压缩位移转化为加载间隙两侧相对位移，对悬浮纳米片施加面内单轴拉伸，并同步获取载荷–位移和形貌变化。5个厚度约41–106 nm的纳米片成功测试；首次失稳应力为0.218–0.972 GPa，首次失稳应变为0.084%–7.383%，表观割线模量（apparent secant modulus，加载至某点应力与应变之比）为5.561–258.570 GPa。约41.27 nm样品首次失稳应力最高，为0.972 GPa；约68.1 nm样品首次失稳应变最大，为7.383%，最终失稳应变为19.10%。原文将载荷–位移曲线上首次显著载荷降定义为首次失稳；对多次降载样品，该事件发生于最终完全断裂前。结果表明首次失稳不必然立即完全断裂，部分样品保持结构连续并继续承载。

3.3 InSe纳米片拉伸行为的厚度依赖：研究人员以首次失稳前完整初始截面积计算首次失稳应力，评价厚度依赖拉伸强度；首次失稳对应首次明显结构损伤且承载截面较可靠。约41–106 nm范围内，首次失稳应力总体随厚度减小而增大，从约106 nm的0.218 GPa增至约41 nm的0.972 GPa。经验幂律σ_FI = K_ft^?n的对数线性拟合得n = 1.20 ± 0.33，R² = 0.815，95%置信区间约0.15–2.25，原坐标关系为σ_FI = 66.37 t^?1.20；作者强调仅5个有效样品且存在分散，该幂律仅为当前数据的经验描述，不应解释为统计确立、普适或机制特异标度律。原文讨论缺陷统计可降低有效应力区临界缺陷概率从而提高失效强度，但断裂起源和缺陷分布未直接表征，缺陷统计仅为可能解释；表面固定构型导致的非均匀层间载荷传递也不能排除。结论为在所研究范围内纳米片厚度与首次失稳应力变化相关。

3.4 InSe纳米片的拉伸失效行为：原位SEM显示多阶段失效；代表性样品出现两次明显载荷降，第一次降载后载荷再次上升直至第二次降载，而SEM显示样品仍结构连续、未完全失效。关联形貌与载荷–位移曲线表明，首次失稳不是最终完全断裂，而是后续渐进失效的开始。原位视频显示首次降载后局部断裂开口可见，样品沿加载方向仍连接并承载；进一步加载后，后续断裂在空间分离位置发生并最终中断连续载荷路径。基于持续承载、空间分离断裂事件和层状断裂形貌，研究人员提出失效可能涉及厚度方向不同承载部分依次损失：首次失稳破坏部分承载厚度，剩余区域继续承载至后续失稳；由于SEM不能直接分辨厚度方向裂纹路径，该模型是符合实验证据的机理解释而非断裂序列直接重建。断后高倍SEM显示断裂形貌复杂，具有明显层间分离和台阶状断裂特征；5个样品断裂位置和局部形貌不同，但断裂区一致出现不同程度层间分离和台阶状特征，而非贯穿整个厚度的单一平坦断口，表明分层是较常见形貌特征。局部断裂边缘有接近60°倍数角特征，但因未做样品特异晶体取向表征，难以建立与特定面内晶向的直接对应。讨论认为层状结构及层内/层间键合差异可提供厚度方向非均匀局部失效和相邻层相对运动的结构基础；部分承载厚度损失后剩余区域继续承载和变形，促成空间分离的依次断裂；既往多层2D材料报道的层间滑移、分层和异步断裂与本研究的持续承载、空间分离断裂和层状形貌相似，提示层间相互作用可能影响整体拉伸失效演化、分层相关形貌和渐进失效，非均匀厚度方向载荷传递也可能促进依次失效。

3.5 块体InSe的纳米压痕测试：对块体单晶InSe进行原位SEM纳米压痕，硬度H和折减模量（reduced modulus）E_r总体随接触深度h_c增加而降低并趋稳，显示明显压痕深度依赖；这可能与变形材料体积增加和层状结构局部响应有关。纳米压痕为局部多轴应力状态，与面内单轴拉伸不可直接比较；两者共同表明InSe力学响应依赖加载构型和长度尺度。

3.6 与既往InSe力学研究的比较：原文汇总近年代表性实验和模拟，既往主要采用AFM压痕、屈曲、块体压缩、弯曲和原子模拟，揭示低刚度、高柔性、明显塑性、层间滑移等特征；但悬浮微/纳米InSe纳米片在直接面内单轴拉伸下的系统实验仍较少，尤其厚度依赖拉伸响应和失效演化。本研究补充了直接拉伸测量，识别厚度依赖首次失稳行为和伴随分层特征的渐进失效。不同研究参数差异明显：AFM压痕面内表观杨氏模量约101 GPa，屈曲法约23 GPa，本研究表观割线模量为5.561–258.570 GPa；测量值受样品厚度和结构状态、加载构型和边界条件影响，不能脱离实验条件仅作数值比较。

讨论部分总结与结论翻译：讨论部分主要围绕厚度依赖强化的可能解释（缺陷统计和非均匀层间载荷传递）、渐进失效与层状结构/层间相互作用、纳米压痕深度依赖、与既往研究参数差异及加载构型影响展开，并指出样品数少、分散明显、未直接表征缺陷和断裂起源/厚度方向裂纹路径/晶体取向等局限；取向依赖力学各向异性也可能贡献样品间拉伸响应差异，未来取向分辨力学研究可阐明晶体取向作用。结论翻译：总之，研究人员发现β-InSe纳米片在直接面内单轴加载下表现明显厚度依赖拉伸行为和渐进失效。在所研究约41–106 nm厚度范围内，首次失稳应力为0.218–0.972 GPa，首次失稳应变为0.084%–7.383%，表观割线模量为5.561–258.570 GPa。在此范围内，首次失稳应力总体随厚度减小而增大，表明总体厚度依赖强化趋势。对部分样品，首次失稳未导致立即完全断裂；剩余承载区域继续承载并进一步变形。后续断裂事件发生在空间分离位置，表明渐进而非瞬时失效过程。结合层间分离和台阶状断裂形貌，这些特征与纳米片厚度方向不同承载部分可能依次失效一致。块体InSe纳米压痕进一步显示硬度和折减模量明显压痕深度依赖。这些发现有助于理解层状InSe在不同加载构型下力学行为，并为InSe基微/纳器件结构设计和机械可靠性评估提供有用基础。