【科研进展】《Nature Materials》GaSe中的范德华应变硬化与大均匀拉伸延展性

近日，重庆大学物理学院/量子材料与器件研究中心周小元教授团队与北京工业大学/南方科技大学韩晓东教授团队，在室温塑性无机半导体材料研究领域取得重要进展。研究发现，GaSe单晶沿着与[0001]带轴成一定夹角的方向施加拉伸载荷时，展现出卓越的拉伸延展能力，实现超过40%的均匀拉伸延伸率，同时伴随显著的应变硬化行为。进一步结合先进原子分辨及应力定量化透射电子显微镜（TEM）表征设备，研究团队揭示了其超强拉伸塑性变形的微观机制。相关成果以“Van der Waals strain hardening and large uniform tensile elongation in GaSe”为题，发表于国际顶级期刊《Nature Materials》。重庆大学物理学院博士生郑思康为论文第一作者，杨小龙副教授为共同第一作者，分析测试中心张斌副研究员为共同通讯作者。

范德华材料因其在电子学、光电器件、信息存储与能量转换等领域的广泛应用而备受关注，其中vdW硫族化合物被认为是最具前景的新一代半导体体系之一。然而，其力学性能仍面临显著挑战。近年来，该类材料的力学行为受到广泛关注，InSe、GaS、GaSe及SnSe₂等单晶在压缩与弯曲条件下已表现出较高的可塑性（压缩应变>70%，弯曲应变>20%），但其拉伸塑性仍然受限。已有研究中，InSe沿[0001]方向的最大塑性延伸率约为12%。然而，由于实验加载路径多局限于平行或垂直于[0001]晶轴，(0001)范德华层间滑移难以有效激活，使得拉伸变形主要依赖高能键断裂或层间撕裂过程，从而导致应变快速局域化，难以形成稳定的应变硬化与均匀延展行为。

更为关键的是，在二维vdW单晶中，强共价键与高Peierls势垒显著抑制位错的形成与运动，使传统金属中的位错增殖与缠结型应变硬化机制基本失效；同时，单晶体系缺乏位错塞积等协同强化过程，导致材料在屈服后极易发生局域化失稳与断裂。因此，在室温下，vdW单晶中的应变硬化及由其支撑的均匀拉伸延展性长期被认为几乎不可实现。

针对上述问题，研究团队提出了一种通过特定倾角（相对于[0001]晶带轴）加载诱导的vdW层间剪切滑移策略。在该加载模式下，GaSe单晶能够在亚微米尺度拉伸过程中有效激活(0001)范德华层间滑移，而无需破坏层内Ga–Se或In–Se共价键。基于自主发展的原子分辨应力定量实验技术，揭示了一种非局域化的层间剪切机制：相邻vdW层之间的交替滑移能够有效均匀化拉伸应变并抑制局域化变形。该协同滑移过程进一步驱动GaSe由ε相向γ相的结构转变，并引入受限的滑移路径，从而形成一种此前未被认识的范德华应变硬化机制。该机制的普适性在InSe与SnSe₂等其他硫族化合物中同样被证实。这些结果重塑了对vdW半导体力学行为的基本认知，并为其在柔性电子器件中的应用奠定了基础。

本研究得到国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金、国家重点研发计划以及中央高校基本科研业务费专项资金的资助。原子尺度显微表征工作由北京工业大学先进材料微观结构与性能北京市重点实验室、重庆大学前沿交叉学科研究院（张大梁教授团队）及重庆大学分析测试中心提供支持，定量化力学测试得到百实创（北京）科技有限公司技术团队的协助。在此一并致以诚挚感谢。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41563-026-02614-6

图1｜室温原位TEM拉伸过程中GaSe的变形行为。a，ε-GaSe晶体结构以及单晶试样示意图。b–d，0°、45°和90°取向拉伸样的取向示意图及对应沿[11-20]带轴HAADF图像。e，45°取向样拉伸过程中的系列TEM图像。f，拉伸样工程应力–应变曲线。g，拉伸样应变硬化率曲线，插图为45°取向样的真实应力–应变曲线。h–j，分别展示GaSe、InSe和SnSe₂中取向的依赖均匀拉伸应变，色标表示均匀拉伸延展率。

图2｜原子尺度追踪相变过程中的层间滑移及γ-GaSe的变形机制，右侧为对应示意图。a，e，ε相与γ相的结构特征，其中“A”“B”和“C”表示晶体单元层的堆垛序列；ε相与γ相分别对应ABAB…和ABCABC…的堆垛方式。b–d，f–h，[110]晶带轴的系列HAADF图像，（b–d）ε相向γ相的转变过程，（f–h）γ-GaSe的层间滑移行为。图中虚框表示框内所有单元层的协同运动：红框对应Se_up–Se_sub相对位移由a/6转变为a/3，蓝框则表示由a/3转变为a/6。高亮点用于标识因单元层移动而导致vdW层内Se原子位置发生变化的区域。

图3｜相变过程及γ相滑移机制的DFT计算。a–f，分别沿（a，d）[11-20]和（b，e）[0001]晶带轴的滑移路径，（c，f）ε相与γ相对应的滑移能垒（单位：eV/unit cell，即归一化至单个计算晶胞的能量）。（b、e）中，为更清晰地展示上下层的关系，Ga原子被隐藏，下层单元采用透明原子表示。g，解理能/滑移能与拉伸取向之间的关系。同上，“A”“B”和“C”表示堆垛类型，下标（如A₁、C₁、C₂）用于区分滑移路径中不同的等效位置。

图4｜vdW层间滑移过程中的位错结构。（a，c）HAADF图像；（b，d）对应的GPA应变分析；（e，f）分子动力学拉伸模拟过程中b₁和b₂伯格斯矢量位错核结构。黄色（a，c）和蓝色（e，f）框分别表示伯格斯回路，红色箭头标示投影伯格斯矢量。为更清晰展示（e）和（f）中vdW层内发生的变化，Ga原子被隐藏，黑框内的下层原子以黄色高亮显示。