微纳米复合材料研究所在二维磁性半导体各向异性力学与疲劳性能研究中取得新进展

二维材料的各向异性力学特性近年来受到广泛关注。以往研究多聚焦于面内晶格结构的方向依赖性，探讨其对弹性模量、断裂强度与韧性的影响。其中，弹性性能决定了应变调控的可调范围，强度与韧性则不仅影响二维晶体的剥离与加工过程，也直接决定其损伤演化与器件服役寿命。

在单层二维晶体中，面内晶格取向的不对称性是力学各向异性的主要来源。不同于石墨烯的六方晶格结构，黑磷、黑砷、MoO3、As2S3等低对称性材料中，键合网络的各向异性使其沿强键方向具备更高的刚度与强度，而沿弱键方向则表现出更大的延展性和能量耗散能力。这种“力学异质性”不仅揭示了二维材料独特的变形机制，也为沿特定晶向实现力学与功能性能协同优化提供了可能。

然而，实际在制备过程中，以上这些各向异性二维材料通常是多层结构，其层间相互作用对于材料整体力学变形和失效行为的影响，尤其是在动态载荷下的耐疲劳特性，尚缺乏系统认识。事实上，随着层数增加，层间的范德华作用、局域滑移势垒等因素将引入新的各向异性来源，层间与面内的耦合效应会共同决定应力传递方式与能量耗散机制，使材料在弹性变形、断裂乃至疲劳演化过程中表现出与单层体系截然不同的力学特征。

针对这一问题，中国科学技术大学现代力学系张忠教授与汪国睿教授团队持续开展了系统研究，先后在Physical Review Letters [2019, 123 (11), 116101]与Nano Letters [2024, 24 (21), 6344−6352.]等期刊上报道了层间剪切滑移对二维材料弯曲刚度和断裂韧性的主导作用。本次工作进一步将研究拓展至疲劳领域，首次揭示了层间剪切各向异性与面内键合取向协同作用下的抗疲劳机理，为构建二维各向异性材料从弹性到疲劳的统一力学框架提供了实验证据。

研究团队以二维磁性半导体CrSBr为对象，其兼具显著的磁各向异性和强自旋-晶格耦合，是实现机械可调自旋电子器件的理想候选体系。结合角分辨原子力显微镜（AFM）力学测试与第一性原理计算，系统揭示了其面内与层间方向的弹性各向异性及其对疲劳抗损性能的影响。结果表明，CrSBr的a、b轴弹性模量差异显著，层间耦合强度较高，并在循环载荷下表现出明显的晶向依赖疲劳特性。沿b轴方向的寿命优于a轴，源于其更高的层间滑移势垒和更强的能量耗散能力。该结果表明，层间剪切各向异性是决定二维材料疲劳耐久性的关键物理机制。这项研究不仅为理解二维磁性半导体的各向异性力学提供了新的实验依据，也在二维各向异性材料的“弹性–断裂–疲劳”统一力学框架中补上了关键一环。相关成果以“Mechanically Robust 2D Magnetic Semiconductor: Anisotropic Elasticity and Fatigue Resistance in CrSBr”为题发表于纳米科学期刊Nano Letters。

CrSBr晶体属于正交晶系（空间群 Pmmn），沿a、b轴存在明显结构与键合差异，导致其面内及层间力学行为均呈现强烈各向异性。研究团队通过角分辨AFM纳米压痕与接触共振测量，系统定量了CrSBr的多维弹性常数：其面内杨氏模量沿a、b轴分别约为86.4 GPa与123.2 GPa，剪切模量约46.7 GPa，展现出高达1.43的弹性各向异性比；面外杨氏模量约为54 GPa，显著高于石墨烯与h-BN，反映出层间Br-Br锁定作用下的强耦合特征。这种面内-层间耦合的双重各向异性，为其独特的能量耗散与疲劳响应奠定了基础。