张清杰团队Phys. Rev. Lett.: 纳米孪晶增强热电半导体InSb的机械强度

【引言】

在过去的二十年中，热电（TE）材料的转换效率（zT）显著增加，但其工程应用受到机械性能差的限制，特别是热电材料在服役条件下的低强度现象，是热电材料商业应用的重要瓶颈。在热电器件的工程应用中，温度梯度循环荷载作用下，不可避免的热应力容易引起材料性能的急剧劣化，加速热电器件的失效。因此，TE材料需要优异的机械性能，比如高机械强度和韧性。

【成果简介】

近日，武汉理工大学张清杰教授团队的李国栋博士与美国西北大学Jeff Snyder教授和美国内华达大学安琪教授等合作,使用密度泛函理论（DFT）揭示了一种由孪晶边界（TBs）引起的热电半导体InSb的强度增强的现象。该研究发表于Physical Review Letters，题为“Enhanced Strength Through Nanotwinning in the Thermoelectric Semiconductor InSb”。孪晶边界引起的强化效果使得InSb理想晶体的理论剪切强度提高了11%，而理论强度被认为是实际材料可达到强度的上限。DFT计算结果表明，孪晶界面的定向共价键重组可协调结构差异，导致结构反对称抵抗变形，同时有效地增强了孪晶界面的刚度,在InSb纳米孪晶中产生了显著增强的应力响应。该工作揭示了纳米孪晶热电半导体的变形机制，有助于开发高可靠性的热电器件。

【图文导读】3

图1. InSb单晶和纳米孪晶的剪切应力—应变关系和原子构型

（a）InSb单晶沿着不同滑移系的应力—应变关系。

（b）InSb单晶沿(111) ⟨-1-12⟩滑动系的原子构型，该结构包含24×In和24×Sb原子。

（c）InSb单晶沿(111) ⟨11-2⟩滑移系的原子构型。

（d）InSb纳米孪晶沿{111}面的孪晶结构。该结构包含48×In和48×Sb原子，孪晶间距是1.0纳米。

（e）InSb纳米孪晶的应力—应变关系和InSb单晶沿最可能的滑移系(111) ⟨11-2⟩的对比。

图2. 单晶InSb 沿(111) ⟨11-2⟩和(111) ⟨-1-12⟩滑移系剪切时的结构形变和化学键响应进程

（a）在(111) ⟨11-2⟩滑移系破坏前（0.592剪切应变下）的结构。 （b）在(111) ⟨11-2⟩滑移系破坏应变（0.605）时的结构。In2和Sb1原子之间的虚线表示弱或非成键相互作用。

（c）随着(111) ⟨11-2⟩系剪切应变的增加，键长（In1-Sb1和In2-Sb1）和键角（In3-Sb1-In2和In3-Sb1-In1）的变化。图2（c）中的红色虚线表示破坏前的应变。

（d）在(111) ⟨-1-12⟩滑移系0.300剪切应变（对应的理想剪切强度）下的结构。

（e）在(111) ⟨-1-12⟩系的破坏应变为0.491时的结构。

（f）随着(111) ⟨-1-12⟩系剪切应变的增加，键长（In1-Sb1和In2-Sb1）和键角（In3-Sb1-In2和In3-Sb1-In1）的变化。

图3. InSb纳米孪晶的结构演变规律

（a）0.266剪切应变下对应于理想剪切强度的结构。

（b）0.277剪切应变下的结构。In2-Sb1共价键断裂，新的In3-Sb1键生成，使下半部分左移一个“In-Sb六边形”。

（c）在结构重排前，0.438剪应变下的结构。

（d）在0.448剪切应变下的结构。In3-Sb1共价键断裂，新的In4-Sb1键形成，使下半部分左移一个“In-Sb六边形”。

（e）结构破坏前，0.623剪切应变下的结构。

（f）失效应变0.634时的结构。In4-Sb1共价键断裂，形成一个新的In1-Sb1键，使下半部分再左移一个“In-Sb六边形”。孪晶结构中的In5-Sb2键断裂，同时In5-Sb5键形成，剪切应力完全释放，致使结构破坏。

图4. 双轴剪切形变的InSb纳米孪晶和理想晶体的应力响应和原子构型

理想晶体沿(111) ⟨11-2⟩滑动系剪切。

（a）剪切应力与剪切应变关系。

（b）破坏前的理想晶体在0.311应变下的原子结构。

（c）理想晶体在破坏应变为0.323的原子结构。

（d）破坏前的InSb纳米孪晶在0.177应变下的原子结构。

（e）InSb纳米孪晶在0.187应变下的失效结构。

 【小结】

该研究利用DFT研究了纳米孪晶对InSb共价热电半导体力学性能的影响，证实了通过控制孪晶界面的平面缺陷，InSb的本征机械强度可以提高11％。这种强化来源于纳米孪晶结构的上半和下半部分的各向异性剪切应力响应，以及由于纳米孪晶界面的定向共价键重排而导致的结构刚性的增强。这种强化机制应该适用于具有类似晶体结构的其他低强度半导体，例如GaAs和ZnSe，以及可能具有这种纳米孪晶的其他低强度材料。

文献链接： Enhanced Strength Through Nanotwinning in the Thermoelectric Semiconductor InSb (Physical Review Letters, 2017, DOI: 10.1103/PhysRevLett.119.215503)

本文由材料人计算材料组Annay供稿，材料牛整理编辑。

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