理大研发创新二维材料强韧兼备技术 推动电子及光子领域应用

工程材料的强度和韧性往往不可兼得，这种情况令材料的设计和选择备受考验。为此，香港理工大学（理大）应用物理学系研究团队开发了一项创新方法，只须扭转二维材料的双层结构，便可在不影响材料固有强度下增加韧性，有利设计出强韧兼备的新型二维材料，未来更有望广泛应用於光子和电子器件上。研究结果已於国际期刊《自然材料》刊登。

二维材料具高强度但易碎的特性，而断裂通常是不可逆转的。因此，二维材料在须承受重复变形装置的应用有限，例如高功率装置丶柔性电子产品及穿戴式装置等。若要增强材料的韧性，一般会透过引入缺陷，例如空位与晶界来达到目的，但此举会降低材料固有的电气性能，令机械耐用度和电子效能不可兼得。因此，如何同时提高材料的强度及韧性是工程界的一大挑战。

为了突破这些限制，理大应用物理学系教授赵炯教授带领的团队开发了一项创新方法，利用材料的连续断裂扭曲双层结构，开创性地透过扭转工程，令二维材料的强度和韧性兼得，成果已获纳米压痕及理论分析的验证。

过渡金属二硫属化物（TMD）是具有独特电子丶光学及机械性能的二维材料，获广泛应用於电子及光电子丶能量储存及转换丶感测器及生物医学装置丶量子技术丶机械及摩擦学等领域。因此，团队聚焦研究TMD，如二硫化钼（MoS₂）及二硫化钨（WS₂）等，结果发现扭转二维材料双层结构的崭新断裂机制。

透过原位透射电子显微镜观察，团队发现二维材料的扭曲双层结构中，当裂缝扩展时，上层与下层之间的晶格错配，会形成互锁的裂纹路径。初次断裂後，两层的裂纹边缘会自动组合，形成稳定的晶界结构。这种独特的「裂纹自愈合」机制可保护後续的断裂免受应力集中的影响，从而有效地抑制裂纹进一步扩展。与传统断裂情况相比，这一过程会消耗额外的能量，但可透过调整材料的扭曲结构和角度，达到不同的韧性增强程度。

赵炯教授表示：「研究突破了传统断裂力学理论的框架，首次展示了二维材料的自主损伤抑制机制，为设计和集成强韧的新型二维材料带来突破性的创新方法。研究将扭电子学的应用扩展至设计材料的强度等机械特性，为电子和光子器件的设计带来新思路。随着二维扭曲材料制造技术日益成熟，新一代智能材料将兼具卓越的机械性能和独特的电气特性，为柔性电子丶能源转换丶量子科技与仿生传感等领域的技术创新开拓广阔前景。」

***完***