近日，福州大学材料科学与工程学院郑思康在室温塑性无机半导体材料研究领域取得重要研究进展，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》。

 

范德华（vdW）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，但其拉伸塑性仍然受限。已有研究中，InSe沿[0001]方向的最大塑性延展约为12%。然而，由于实验加载路径多局限于平行或垂直于[0001]晶带轴，(0001)晶面间的vdW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。

 

图1. 室温原位TEM拉伸过程中GaSe的变形行为

 

针对上述问题，研究团队提出了一种通过特定角度（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)晶面间的vdW层间滑移，室温均匀拉伸延伸率突破40%，极限延伸率达到70%，彻底打破单晶vdW材料的脆性固有认知。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vdW应变硬化机制。该机制的普适性在InSe与SnSe₂等其他vdW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。

 

郑思康老师为第一作者，福州大学材料科学与工程学院为合作单位。本研究在北京工业大学/南方科技大学韩晓东教授、重庆大学物理学院/量子材料与器件研究中心周小元教授，以及重庆大学分析测试中心张斌副研究员三位通讯作者的指导下完成。本篇论文获得到了国家自然科学基金等项目的支持。