一项由中国科学院上海硅酸盐研究所、浙江大学等机构的研究人员完成的最新研究，以“Tuning moiré twist angles enhances tensile plasticity in bulk van der Waals crystals”为题，发表在 Nature Materials 上。该研究由Jiali Zhou、Jiawei Zou、Zhiqiang Gao等人共同完成，通讯作者为Jiawei Zhang、Qian Yu和Xun Shi。研究首次证明，通过简单的离轴压缩（off-axis compression）在块体层状范德华（van der Waals, vdW）晶体中引入莫尔扭转（moiré twisting），可大幅提升材料的室温拉伸塑性，同时几乎不影响其面内电子输运性能，为开发兼具高塑性与高载流子迁移率的柔性层状电子材料提供了新策略。

层状vdW材料因其层内强共价键/离子键与层间弱vdW力而表现出优异的电学性能，但通常力学脆性显著，室温拉伸应变普遍低于12%，这限制了其在柔性电子等领域的应用。已有的塑性块体层状材料主要依赖层间滑移和位错运动，但种类稀少、载流子迁移率多低于250 cm² V⁻¹ s⁻¹。莫尔扭转已在二维材料中展现出调控量子现象和物理性质的强大能力，但此前尚未被用于调控力学性能。本研究的目标正是探索莫尔扭转能否作为一种有效的塑性变形机制，以突破块体层状vdW晶体的室温脆性问题。

研究以典型的层状半导体GaGeTe为主要对象。GaGeTe属于三角晶系R3̄m空间群，单层由GaGeTe₃四面体通过Te原子在a–b平面连接而成，层间vdW间隙约3.40 Å。研究流程可概括为四个紧密关联的步骤。第一步是单晶生长与基本表征。采用垂直布里奇曼法（Bridgman method）生长高质量GaGeTe单晶，并用X射线衍射（XRD）、同步辐射粉末XRD（PXRD）、透射电子显微镜（TEM）和高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）等手段确认其晶体结构、相纯度与层状堆叠特征。第二步是离轴预压缩引入莫尔扭转。对原始单晶沿偏离主轴约5°的方向施加10%的预压缩应变，利用非均匀应力产生的力矩促使层间发生扭转，从而在块体内部形成宽角度范围的莫尔超晶格。第三步是力学性能测试与微结构表征。对原始、离轴压缩（扭转）、以及压缩后拉伸（扭转-拉伸）的样品进行室温单轴拉伸实验，并结合离位（ex situ）和原位（in situ）TEM观察莫尔超晶格的演化。第四步是第一性原理计算与机理验证。构建具有公度扭转角（commensurate twist angles）θ的GaGeTe超胞，计算扭转形成能、解理能（cleavage energy, Ec）、滑移能垒（slip energy barrier, Es）以及广义层错能（generalized stacking fault energy, GSFE）面，从能量角度阐明莫尔扭转促进塑性的物理起源。

主要结果可分层阐述。力学测试表明，原始GaGeTe单晶沿a–b面的最大拉伸应变仅为8.3%±2.7%，表现出典型的应变软化行为，说明其塑性由层间滑移主导。而经过10%离轴预压缩的扭转GaGeTe的最大拉伸应变超过30.0%±3.3%，约为原始样品的360%，并且屈服应力从8.7±1.7 MPa降至7.0±1.2 MPa。这一数值远超已报道的所有块体vdW材料。XRD、拉曼光谱、同步辐射PXRD和配对分布函数（pair distribution function, PDF）分析均未发现变形过程中的相变。TEM观察显示，原始拉伸样品中莫尔扭转角主要在1.5°–6.0°之间；离轴压缩样品中出现更宽的扭转角分布（约1.5°–21.4°），其中9.4°、13.1°和21.4°的比例显著增加；而压缩后拉伸样品中扭转角进一步向13.1°和21.4°集中。这表明拉伸过程中发生了从中小角度扭转向大角度扭转的应力驱动重组，扭转角的增大有效释放了机械能。实验观察到的莫尔花样与基于逆快速傅里叶变换（inverse FFT, IFFT）的模拟结果吻合良好。第一性原理计算显示，直接从未扭转GaGeTe形成6.01°和21.79°扭转结构所需形成能分别为76.6和73.7 mJ m⁻²，但若以已形成的6.01°扭转结构为起点，继续扭转到21.79°所需能量变化小于7 mJ m⁻²，降低了一个数量级以上。此外，这些扭转形成能远小于GaGeTe的解理能Ec（约331 mJ m⁻²），说明莫尔扭转可在断裂前发生。更为关键的是，原始GaGeTe的层间滑移能垒Es约为35 mJ m⁻²，而扭转后（如5.09°、6.01°、7.34°、9.43°、13.17°和21.79°）Es降低约两个数量级，同时Ec几乎不变，导致塑性指标Ec/Es提升约两个数量级。GSFE面在扭转后变得极为平坦，综合晶体轨道哈密顿布居（integrated crystal orbital Hamilton population, ICOHP）分析表明，莫尔扭转削弱了层间Te–Te和Ga–Te键，从而使层间滑移几乎不需要克服能量势垒。

结论可总结为以下机制。离轴压缩产生的非均匀应变场通过力矩和剪切力促使层间形成宽谱莫尔扭转角；扭转超晶格的形成大幅降低继续扭转和层间滑移的能量势垒；随后的拉伸加载驱动扭转角进一步增大并发生大量层间滑移，从而协调并容纳显著的面内拉伸应变。值得注意的是，莫尔扭转仅发生在层间，不破坏层内共价键，因此对面内电子结构影响极小。实验证实，扭转后GaGeTe的空穴迁移率在300 K下仍高达约587 cm² V⁻¹ s⁻¹，温度依赖的迁移率和载流子浓度在压缩变形前后变化可忽略；在10 mm弯曲半径下循环200次后迁移率变化小于1%。这种兼具高拉伸塑性和高载流子迁移率的特性在现有块体层状材料中十分罕见。

本研究的主要亮点在于：首次将莫尔扭转作为塑性变形机制用于提升块体层状vdW晶体的拉伸塑性，并提出离轴压缩这一简单且普适的预应变策略；通过系统的原位/离位TEM观察与第一性原理计算，揭示了扭转角随应变增大而增大的动态演化规律及其能量学基础；证明了莫尔扭转可在不牺牲面内电子输运性能的前提下显著改善力学性能，从而为柔性可变形电子器件提供了理想的候选材料。该策略还被验证适用于其他多种层状vdW材料，包括InSe、GaS、GaSe、CrSiTe₃、InSiTe₃和SnBi₂Te₄，其中CrSiTe₃的最大拉伸应变提升约270%，InSiTe₃提升320%，SnBi₂Te₄提升210%，InSe从8%提升至15%，显示出广泛的适用性。该研究不仅丰富了莫尔体系的基础科学内涵，也为高性能柔性层状电子材料的设计开辟了新方向。