哈工大（深圳）/中科院物理所/吉大，三校联合重磅Nature！

一、【导读】

由于离域电子和金属阳离子之间存在由强大静电力形成的金属键，金属通常展现出足够的延展性和韧性。与此相反，半导体由于共价键或离子键的方向性，原子滑动时会产生排斥作用，因此半导体很脆。因此，由无机半导体组成的传统热电材料，它们的变形能力有限。最近，一些具有塑性变形能力的无机半导体材料被报道出来，例如Ag₂S合金、ZnS、InSe和几种范德华材料。由于柔性热电设备主要针对人体热量采集和个性化体温调节等应用，因此在环境温度下具有高热电性能的材料非常受欢迎。遗憾的是，室温热电材料非常有限，更不用说还要满足塑性变形的额外要求了。

二、【成果掠影】

在此，哈尔滨工业大学（深圳）张倩教授，毛俊教授，中国科学院物理研究所王玉梅副研究员和吉林大学付钰豪研究员（共同通讯作者）发现Mg₃Bi₂单晶在室温下具有塑性，而且它们还显示出优于最先进的韧性半导体的热电性能。当沿着（0001）平面（即ab平面）施加张力时，单晶Mg₃Bi₂的室温拉伸应变高达100%，这个值比传统的热电材料至少高出一个数量级，并且优于许多在类似结构中结晶的金属。进一步实验结果表明，在变形的Mg₃Bi₂中存在滑移带和位错，表明位错的滑动是塑性变形的微观机制。化学键分析显示，多个平面具有较低的滑移势垒能，表明Mg₃Bi₂中存在多个滑移体系。同时，在滑动过程中，连续的动态键合阻止了原子平面的裂解，从而保持了较大的塑性变形。重要的是，掺杂碲的单晶Mg₃Bi₂的功率因数约为55μW/cmK²，室温下沿ab面的品质因数约为0.65，性能优于现有的延性热电材料。

此外，通过调整化学计量学制备的p型单晶Mg₃Bi₂也显示出约110%的较大拉伸应变，与Mg₃Bi₂基材料的电传输特性依赖于镁含量不同。由于价带的各向异性，p型Mg₃Bi₂的热电传输特性在ab平面和c平面之间存在差异。

相关研究成果以“Plasticity in single-crystalline Mg₃Bi₂ thermoelectric material”为题发表在Nature上。

三、【核心创新点】

1.本文发现单晶Mg₃Bi₂的室温拉伸应变可达100%。在变形的Mg₃Bi₂中发现了滑移带和高密度的边缘位错，证实了位错滑动是塑性变形的基本机制。

2.掺杂碲单晶Mg₃Bi₂的功率因数约为55μW/cmK²，室温下沿ab面的品质因数约为0.65，性能优于现有的延性热电材料。

四、【数据概览】

图1 Mg₃Bi₂的塑性变形性© 2024 Springer Nature

图2 Mg₃Bi₂的微观结构表征© 2024 Springer Nature

图3 Mg₃Bi₂中的粘结特性和滑动© 2024 Springer Nature

图4 单晶Mg₃Bi_2-xTe_x沿ab面的热电性能© 2024 Springer Nature

五、【成果启示】

综上所述，本文发现单晶Mg₃Bi₂的室温拉伸应变可达100%。在变形的 Mg₃Bi₂中发现了滑移带和高密度的边缘位错，证实了位错滑动是塑性变形的基本机制。同时，计算揭示了几个具有低滑动势垒能的原子面的存在，表明Mg₃Bi₂ 中可以激活多个滑动系统。在滑动过程中，镁-铋的动态结合持续存在，从而阻止了原子面的裂解。此外，基于Mg₃Bi₂的单晶材料在室温下的功率因数约为55 μW cm^-1 K^-2，品质因数约为0.65，优于最先进的韧性热电材料。

文献链接：“Plasticity in single-crystalline Mg₃Bi₂ thermoelectric material”（Nature，2024，10.1038/s41586-024-07621-8）

本文由材料人CYM编译供稿。