深圳新聞網(wǎng)2024年7月11日訊（記者 王茜 通訊員 張又元 毛?。╇S著(zhù)柔性電子器件的不斷發(fā)展，可穿戴柔性熱電器件的設計與開(kāi)發(fā)備受關(guān)注。為了滿(mǎn)足柔性熱電器件的性能需求，亟需開(kāi)發(fā)一種兼具塑性與高熱電性能的新型無(wú)機材料。近期哈工大深圳校區張倩教授、毛俊教授團隊在塑性熱電材料領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，發(fā)現了鉍化鎂（Mg?Bi?）單晶在室溫下兼具出色塑性變形能力與優(yōu)異熱電性能。研究成果發(fā)表在《自然》（Nature）上。

熱電材料能夠利用Seebeck效應和Peltier效應通過(guò)溫差或電場(chǎng)驅動(dòng)電子定向流動(dòng)，從而直接實(shí)現熱能與電能的相互轉換。熱電能量轉換技術(shù)在電子器件制冷（例如，5G通訊激光器溫度精密控制）和熱能回收發(fā)電（例如，放射性同位素溫差發(fā)電器）等領(lǐng)域具有重要應用。傳統高性能熱電材料多為無(wú)機半導體，其化學(xué)鍵以共價(jià)鍵為主，材料往往表現出本征脆性，在彎曲和拉伸狀況下易發(fā)生斷裂。與之相比，有機半導體通常具有良好的變形能力，但熱電性能普遍低于無(wú)機材料。因此，開(kāi)發(fā)出室溫下兼具優(yōu)異熱電性能和塑性變形能力的新型無(wú)機熱電材料具有重要意義。然而，在室溫附近具備高熱電性能的材料非常有限，額外的塑性變形能力要求則進(jìn)一步提高了材料開(kāi)發(fā)與設計的難度。

為解決這一難題，張倩教授和毛俊教授團隊制備了厘米級高品質(zhì)鉍化鎂單晶，該材料在室溫下表現出優(yōu)異的塑性變形能力。研究發(fā)現，鉍化鎂單晶在面內方向的壓縮應變超過(guò)75%，拉伸應變高達100%，這一數值相較傳統熱電材料高出了一個(gè)數量級，甚至超過(guò)了部分具有類(lèi)似晶體結構的金屬材料（例如鈦、鎂、鋯、鈷和鉿）。此外，鉍化鎂單晶可以在室溫下輕松實(shí)現彎折、扭曲等多種類(lèi)型的塑性形變。鉍化鎂單晶除了具有出色的塑性變形能力外，優(yōu)化后的鉍化鎂單晶在室溫下還表現出優(yōu)異的熱電性能。碲摻雜的鉍化鎂（Mg3Bi1.998Te0.002）單晶在面內方向的熱電功率因子約為55 μW cm-1 K-2，室溫熱電優(yōu)值zT約為0.65。通過(guò)對比不同材料的室溫熱電性能與材料的最大拉伸應變，可以發(fā)現鉍化鎂單晶兼具優(yōu)異的塑性與熱電性能，其性能優(yōu)于目前的塑性半導體材料。

鉍化鎂單晶室溫塑性變形能力

掃描透射電子顯微表征的結果表明，發(fā)生塑性變形后的鉍化鎂單晶中存在大量滑移帶和位錯。針對位錯的進(jìn)一步分析確定了材料中滑移系為柱面滑移系。此外，利用第一性原理計算對鉍化鎂材料中潛在的滑移系（即基面滑移系，柱面滑移系與錐面滑移系）的滑移勢壘與解理能進(jìn)行了評估。計算結果發(fā)現鉍化鎂中的多個(gè)滑移面均具有較低的滑移勢壘。因此，這表明材料中可能存在多個(gè)滑移系對鉍化鎂單晶的塑性變形起到貢獻。不僅如此，利用晶體軌道分布密度積分對滑移過(guò)程中的鍵能進(jìn)行量化分析，發(fā)現滑移中連續的動(dòng)態(tài)成鍵過(guò)程能夠有效地阻止原子面的解理，這對材料的塑性變形也起到了重要貢獻。

變形后的鉍化鎂單晶微觀(guān)結構表征與第一性原理計算

哈工大深圳校區為論文第一單位。哈工大深圳校區張倩教授和毛俊教授、吉林大學(xué)付鈺豪副教授、中國科學(xué)院物理研究所王玉梅副研究員為論文共同通訊作者。哈工大深圳校區博士后趙鵬為論文第一作者，博士生薛文華和中國科學(xué)院物理研究所張悅為共同第一作者。哈工大深圳校區謝國強教授、劉興軍教授、曹峰教授、王曉東助理研究員、博士后馬曉靜和博士研究生芝世珍、張天宇、程謹軒、侯帥航，碩士研究生仇嘉敏、葉升，以及東北大學(xué)趙立佳教授和吉林大學(xué)博士研究生穆慧敏參與相關(guān)研究工作。

該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、廣東省卓越青年團隊、深圳市杰出青年基金等項目支持。

（圖片由哈工大深圳校區提供）