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大多数最先进的热电材料是无机半导体。由于定向共价键，它们通常在室温下表现出有限的塑性，例如，拉伸应变小于5%。

在此，来自吉林大学的付钰豪、中国科学院物理研究所王玉梅以及哈尔滨工业大学深圳校区的毛俊&张倩等研究者发现单晶Mg₃Bi₂在沿(0001)平面(即ab平面)施加张力时显示出高达100%的室温拉伸应变。相关论文以题为“Plasticity in single-crystalline Mg₃Bi₂thermoelectric material”于2024年07月10日发表在Nature上。

金属通常具有延展性和延展性，这得益于离域电子和金属阳离子之间的强静电力形成的金属键。相反，由于定向共价键或离子键，半导体是脆性的，当原子滑动时，会出现排斥相互作用。传统的热电材料是无机半导体，其可变形性有限。

近年来，一些具有塑性变形能力的无机半导体材料被报道，如Ag₂S合金、ZnS、InSe和几种范德华材料。柔性热电器件主要用于人体热收集和个性化温度调节等应用，因此在环境温度下具有高热电性能的材料是非常需要的。

不幸的是，室温热电材料是有限的，更不用说对塑性变形的额外要求了。在这里，研究者发现Mg₃Bi₂单晶在室温下是塑性的，并且它们也显示出有希望的热电性能，优于最先进的韧性半导体。

Mg₃Bi₂结晶为典型的抗α-La₂O₃结构类型()，如图1a所示。为了表征Mg₃Bi₂基材料的塑性变形能力，制备了单晶(S)和多晶(P)样品。多晶Mg₃Bi₂和单晶Mg₃Bi₂都可以实现50%以上的大压缩应变(图1b,h)。

相比之下，Bi_0.5Sb_1.5Te₃、Bi₂Te_2.7Se_0.3、GeTe和ZrNiSn等热电材料的最大压缩应变小于5%(图1b)。当Mg₃Bi₂在六角形晶格中结晶时(图1a)， Mg₃Bi₂与几种六角形密排(hcp)金属以及其他延性半导体之间的拉伸应力-应变曲线进行了比较(图1c)。单晶Mg₃Bi₂抗拉伸应变高达100%，高于hcp金属和韧性半导体，可与退火Ag₂Te_0.7S_0.3相媲美。

图1 Mg₃Bi₂的塑性变形性能。

在此，研究者发现单晶Mg₃Bi₂在沿(0001)平面(即ab平面)施加张力时显示出高达100%的室温拉伸应变。这样的值比传统的热电材料至少高出一个数量级，并且优于许多以类似结构结晶的金属。

实验结果表明，变形的Mg₃Bi₂中存在滑移带和位错，表明位错的滑移是塑性变形的微观机制。化学键分析表明，Mg₃Bi₂中存在多个低滑移势垒能面，表明存在多种滑移体系。

此外，滑移过程中连续的动态键合防止了原子面解理，从而保持了较大的塑性变形。重要的是，碲掺杂的单晶Mg₃Bi₂显示出约55微瓦/厘米/开尔文平方的功率因数，在室温下沿ab平面的优点系数约为0.65，优于现有的延展性热电材料。

图2 变形单晶Mg₃Bi₂的显微组织表征。

图3 弹性体的力学性能及其强化和增韧机制。

图4 单晶Mg₃Bi_2−xTe_x沿ab平面的热电性能。

综上所述，研究者发现单晶Mg₃Bi₂的室温拉伸应变为100%。在变形的Mg₃Bi₂中发现了滑移带和高密度的边缘位错，证实了位错的滑动是塑性变形的潜在机制。

计算结果表明，在Mg₃Bi₂中存在多个具有低滑移势垒能的原子面，表明在Mg₃Bi₂中可以激活多个滑移体系。在滑移过程中，Mg-Bi的动态键合持续存在，从而防止了原子平面的解理。此外，单晶Mg₃Bi₂基材料在室温下的功率因数约为55 μW cm⁻¹ K⁻², zT为~0.65，优于目前最先进的韧性热电材料。

【参考文献】

Zhao, P., Xue, W., Zhang, Y. et al. Plasticity in single-crystalline Mg₃Bi₂ thermoelectric material. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07621-8

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

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