哈工大深圳校区张倩教授、毛俊教授团队Nature

导读

随着柔性电子器件的不断发展,可穿戴柔性热电器件的设计与开发备受关注。为了满足柔性热电器件的性能需求，亟需开发一种兼具塑性与高热电性能的新型无机材料。近期，哈工大深圳校区张倩教授、毛俊教授团队在塑性热电材料领域取得重要进展，发现了铋化镁（Mg₃Bi₂）单晶在室温下兼具出色塑性变形能力与优异热电性能。研究成果发表在《自然》（Nature）上。

热电材料能够利用Seebeck效应和Peltier效应通过温差或电场驱动电子定向流动，从而直接实现热能与电能的相互转换。热电能量转换技术在电子器件制冷（例如，5G通讯激光器温度精密控制）和热能回收发电（例如，放射性同位素温差发电器）等领域具有重要应用。传统高性能热电材料多为无机半导体，其化学键以共价键为主，材料往往表现出本征脆性，在弯曲和拉伸状况下易发生断裂。与之相比，有机半导体通常具有良好的变形能力，但热电性能普遍低于无机材料。因此，开发出室温下兼具优异热电性能和塑性变形能力的新型无机热电材料具有重要意义。然而，在室温附近具备高热电性能的材料非常有限，额外的塑性变形能力要求则进一步提高了材料开发与设计的难度。

为解决这一难题，张倩教授和毛俊教授团队制备了厘米级高品质铋化镁单晶，该材料在室温下表现出优异的塑性变形能力。研究发现，铋化镁单晶在面内方向的压缩应变超过75%，拉伸应变高达100%，这一数值相较传统热电材料高出了一个数量级，甚至超过了部分具有类似晶体结构的金属材料（例如钛、镁、锆、钴和铪）。此外，铋化镁单晶可以在室温下轻松实现弯折、扭曲等多种类型的塑性形变。铋化镁单晶除了具有出色的塑性变形能力外，优化后的铋化镁单晶在室温下还表现出优异的热电性能。碲掺杂的铋化镁（Mg3Bi1.998Te0.002）单晶在面内方向的热电功率因子约为55 μW cm-1 K-2，室温热电优值zT约为0.65。通过对比不同材料的室温热电性能与材料的最大拉伸应变，可以发现铋化镁单晶兼具优异的塑性与热电性能，其性能优于目前的塑性半导体材料。

扫描透射电子显微表征的结果表明，发生塑性变形后的铋化镁单晶中存在大量滑移带和位错。针对位错的进一步分析确定了材料中滑移系为柱面滑移系。此外，利用第一性原理计算对铋化镁材料中潜在的滑移系（即基面滑移系，柱面滑移系与锥面滑移系）的滑移势垒与解理能进行了评估。计算结果发现铋化镁中的多个滑移面均具有较低的滑移势垒。因此，这表明材料中可能存在多个滑移系对铋化镁单晶的塑性变形起到贡献。不仅如此，利用晶体轨道分布密度积分对滑移过程中的键能进行量化分析，发现滑移中连续的动态成键过程能够有效地阻止原子面的解理，这对材料的塑性变形也起到了重要贡献。

哈工大深圳校区为论文第一单位。哈工大深圳校区张倩教授和毛俊教授、吉林大学付钰豪副教授、中国科学院物理研究所王玉梅副研究员为论文共同通讯作者。哈工大深圳校区博士后赵鹏为论文第一作者，博士生薛文华和中国科学院物理研究所张悦为共同第一作者。哈工大深圳校区谢国强教授、刘兴军教授、曹峰教授、王晓东助理研究员、博士后马晓静和博士研究生芝世珍、张天宇、程谨轩、侯帅航，硕士研究生仇嘉敏、叶升，以及东北大学赵立佳教授和吉林大学博士研究生穆慧敏参与相关研究工作。

该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省卓越青年团队、深圳市杰出青年基金等项目支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07621-8

图1 铋化镁单晶室温塑性变形能力

图2 变形后的铋化镁单晶微观结构表征与第一性原理计算

来源：哈尔滨工业大学