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。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》。重庆大学物理学院为论文的第一单位，博士生郑思康为论文第一作者，分析测试中心张斌副研究员为共同通讯。
突破性发现：超40%均匀拉伸延展率
研究团队发现，当GaSe单晶沿与[0001]晶带轴成45°夹角方向施加拉伸载荷时，展现出卓越的拉伸延展能力，均匀拉伸延伸率超过40%，极限拉伸应变超过70%，同时伴随显著的应变硬化行为。这一性能在范德华（vdW）半导体材料中极为罕见，填补了该领域室温均匀拉伸延展性的长期空白。
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[110]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。
关键机制：范德华层间剪切滑移诱导的应变硬化
传统金属材料依赖位错缠结与塞积实现应变硬化，但在二维vdW单晶中，强共价键与高Peierls势垒显著抑制位错运动，导致屈服后极易发生局域化断裂。研究团队提出了一种特定倾角加载诱导的vdW层间剪切滑移策略：有效激活(0001)范德华层间滑移，无需破坏层内共价键；相邻vdW层之间的交替滑移均匀化拉伸应变，抑制局域化变形；驱动GaSe由ε相向γ相的结构转变，形成全新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得到验证。
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Seup–Sesub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。
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
