近日，重慶大學物理學院/量子材料與器件研究中心周小元教授團隊與北京工業(yè)大學/南方科技大學韓曉東教授團隊，在室溫塑性無機半導體材料研究領域取得重要進展。相關成果以“Van der Waals strain hardening and large uniform tensile elongation in GaSe”為題，發(fā)表于國際頂級期刊《Nature Materials》。重慶大學物理學院博士生鄭思康為論文第一作者，楊小龍副教授為共同第一作者，分析測試中心張斌副研究員為共同通訊作者。

該研究發(fā)現(xiàn)，GaSe單晶沿著與[0001]帶軸成一定夾角的方向施加拉伸載荷時，展現(xiàn)出卓越的拉伸延展能力，實現(xiàn)超過40%的均勻拉伸延伸率，同時伴隨顯著的應變硬化行為。進一步結合先進原子分辨及應力定量化透射電子顯微鏡（TEM）表征設備，研究團隊揭示了其超強拉伸塑性變形的微觀機制。

圖1 室溫原位TEM拉伸過程中GaSe的變形行為

范德華材料在電子學、光電器件、信息存儲與能量轉換等領域應用廣泛，其中vdW硫族化合物被認為是最具前景的新一代半導體體系之一，但其力學性能仍面臨顯著挑戰(zhàn)。近年來，該類材料的力學行為受到廣泛關注，InSe、GaS、GaSe及SnSe?等單晶在壓縮與彎曲條件下已表現(xiàn)出較高可塑性（壓縮應變>70%，彎曲應變>20%），拉伸塑性仍然受限。已有研究中，InSe沿[0001]方向的最大塑性延伸率約為12%。由于實驗加載路徑多局限于平行或垂直于[0001]晶軸，(0001)范德華層間滑移難以有效激活，拉伸變形主要依賴高能鍵斷裂或層間撕裂過程，導致應變快速局域化，難以形成穩(wěn)定的應變硬化與均勻延展行為。

圖2 原子尺度追蹤相變過程中的層間滑移及γ-GaSe的變形機制，右側為對應示意圖

更為關鍵的是，在二維vdW單晶中，強共價鍵與高Peierls勢壘顯著抑制位錯的形成與運動，使傳統(tǒng)金屬中的位錯增殖與纏結型應變硬化機制基本失效；同時，單晶體系缺乏位錯塞積等協(xié)同強化過程，導致材料在屈服后極易發(fā)生局域化失穩(wěn)與斷裂。因此，在室溫下，vdW單晶中的應變硬化及由其支撐的均勻拉伸延展性長期被認為幾乎不可實現(xiàn)。

圖3 相變過程及γ相滑移機制的DFT計算

針對上述問題，研究團隊提出了一種通過特定傾角（相對于[0001]晶帶軸）加載誘導的vdW層間剪切滑移策略。在該加載模式下，GaSe單晶能夠在亞微米尺度拉伸過程中有效激活(0001)范德華層間滑移，而無需破壞層內Ga–Se或In–Se共價鍵?；谧灾靼l(fā)展的原子分辨應力定量實驗技術，揭示了一種非局域化的層間剪切機制：相鄰vdW層之間的交替滑移能夠有效均勻化拉伸應變并抑制局域化變形。該協(xié)同滑移過程進一步驅動GaSe由ε相向γ相的結構轉變，并引入受限的滑移路徑，從而形成一種此前未被認識的范德華應變硬化機制。該機制的普適性在InSe與SnSe2等其他硫族化合物中同樣被證實。這些結果重塑了對vdW半導體力學行為的基本認知，并為其在柔性電子器件中的應用奠定了基礎。

圖4 vdW層間滑移過程中的位錯結構

本研究得到國家杰出青年科學基金、國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃以及中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金的資助。原子尺度顯微表征工作由北京工業(yè)大學先進材料微觀結構與性能北京市重點實驗室、重慶大學前沿交叉學科研究院（張大梁教授團隊）及重慶大學分析測試中心提供支持，定量化力學測試得到百實創(chuàng)（北京）科技有限公司技術團隊的協(xié)助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41563-026-02614-6

來源：物理學院

作者：周小元