Phys. Rev. Lett.：纳米孪晶增强热电材料Bi2Te3

【引言】

持续大量地使用化石燃料来满足全球不断增长的能源需求，造成了严重的环境破坏，这引起了科研工作者对热电（Thermoelectric，TE）转换技术的关注，即将废热直接转换成电力而不产生二氧化碳。在工业领域，低温废热几乎占总能量消耗的三分之一，而碲化铋（Bi₂Te₃）基热电材料广泛应用于低温固态发电机（300-550K）中，进行废热的回收利用。然而，碲化铋（Bi₂Te₃）材料机械强度较低，可能不能长期用于热电器件。在过去的二十年中，TE材料的转换效率显着提高，达到了工业应用的标准。然而在严峻的工作条件下，TE材料不可避免地受到由于温度梯度循环所产生的热机械应力，导致其材料性能急剧恶化，加速了热电器件的失效。为了使热电材料在能源转换的工程应用中发挥重要作用，必须大幅度提高其强度和韧性。

【成果简介】

近日，武汉理工大学的张清杰教授、美国西北大学的G. Jeffrey Snyder教授和内华达大学雷诺分校的Qi An助理教授 (共同通讯作者) 在Physical Review Letters.上发表了“Superstrengthening Bi2Te3 through Nanotwinning”的文章。研究人员首先用密度泛函理论（DFT）表明，纳米级孪晶可以将Bi₂Te₃的理想剪切强度提高到215％。实验研究发现单晶Bi₂Te₃强度低的原因是Te1与两个Te1-Bi-Te2-Bi-Te1五层五面体子结构之间的弱范德华作用力。而在相邻几何体的Te1原子之间形成的孪晶界，可以显著增强了它们之间的相互作用，使纳米孪晶Bi2Te3的理想剪切强度，相比于单晶（0.19 GPa）增加了近3倍（0.6GPa）。这种晶界工程策略为设计稳定的高性能热电材料提供了新的途径。

[致歉：很抱歉，未找到通讯作者Qi An的确切中文名字，小编表示诚挚的歉意！]

【图文导读】

图1 不同结构的Bi₂Te₃晶体结构示意图

（a）非孪晶Bi₂Te₃的晶体结构。其六方晶胞由沿[001]轴的Te1-Bi-Te2-Bi-Te1（五层子结构）组成，晶胞含6个Bi原子和9个Te原子，分别用紫色和浅黄色球体表示。

（b）纳米孪晶Bi₂Te₃结构。孪晶界沿{702}平面，晶胞包含40个Bi原子和60个Te原子，孪晶界的位相差为37°，孪晶尺寸为2.4 nm。 黑色矩形区域代表纳米孪晶Bi₂Te₃中的单胞。

图1（b）中Te1-Te1的弱共价键结合力（Te1-Te1 键长 3.48埃）比图1（a）中的范德华Te1-Te1相互作用力要强得多（Te1-Te1 键长 3.82埃）。

图2 单晶Bi₂Te₃的变形行为

（a）剪切变形作用下，沿不同滑移系的剪切应力与剪切应变的关系。

（b）在（001）/<50-1>滑移系中，键合拉伸比（Te1-Te1，Bi-Te1，Bi-Te2）与剪切应变的关系。

（c）在0.071剪切应变下的原子结构，其应变对应于沿（001）/<50-1>滑移系的最大剪应力。

（d）在0.221剪应变下的原子结构，对应于沿（001）/<50-1>滑移系的高软化Te1-Te1键。图2（d） 中红色虚线和红色椭圆表示范德华Te1-Te1键的软化。

图3. 孪晶界沿{702}面的纳米孪晶Bi₂Te₃的变形模式

（a）单晶Bi₂Te₃与纳米孪晶Bi₂Te₃剪切应力 - 剪切应变关系的比较。

（b）键伸缩率[Te1（1）-Te1（2），Te1（2）-Te1（3），Te1（4）-Te1（5），Te1（6）-Te1（7）]与剪切应变的关系。

（c）对应于最大剪切应力的0.123剪切应变下的原子结构。

（d）对应于Te1（2）-Te1（3）键断裂的0.134剪切应变下的原子结构。

（e）与结构失效相对应的0.145剪应变下的原子结构。

图3（b）中灰色虚线表示失效的临界应变。 图3（e）中红色椭圆表示Te1（2）Te1（3）和Te1（1）-Te1（2）键的断裂。 图3（e）中的黑色曲线指示了坍塌的孪晶界。

图4 各种高性能块体热电材料的理想剪切强度

插图表示块体和纳米孪晶Bi₂Te₃的理想强度。

【小结】

本研究应用密度泛函理论（DFT）确定了纳米孪晶对Bi₂Te₃力学性能的影响，揭示了在孪晶界附近新形成的Te1-Te1共价键显著提高了Te1-Bi-Te2-Bi这一五层子结构之间的相互作用。纳米孪晶的形成显著增强了结构的刚度，同时抑制了结构的软化。与单晶Bi₂Te₃（0.19 GPa）相比，纳米孪晶Bi₂Te₃的理想强度提高到了0.6 GPa，此工作为提高Bi₂Te₃的机械性能而提出一种新的孪晶工程策略，通过结构改良而不是传统的元素掺杂便可以实现更高的结构刚度。这项工作为合理地设计稳定的高性能热电材料开辟了一条新途径，也可以应用于其他热电或非热电能源材料。

文献链接：Superstrengthening Bi2 Te3 through Nanotwinning（Phys. Rev. Lett.,2017,DOI: 10.1103/PhysRevLett.119.085501）

本文由材料人编辑部新人组欧仪编辑，万鑫浩审核，点我加入材料人编辑部。

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