隨著柔性電子器件的不斷發展

可穿戴柔性熱電器件的設計與開發

備受關注

為了滿足柔性熱電器件的性能需求

亟需開發一種兼具塑性與高熱電性能的

新型無機材料

近期

哈工大深圳校區張倩教授、毛俊教授團隊

在塑性熱電材料領域取得重要進展

發現了鉍化鎂(Mg₃Bi₂)單晶在室溫下

兼具出色塑性變形能力與優異熱電性能

研究成果發表在《自然》(Nature)上

　　熱電材料能夠利用Seebeck效應和Peltier效應通過溫差或電場驅動電子定向流動，從而直接實現熱能與電能的相互轉換。熱電能量轉換技術在電子器件製冷(例如，5G通訊激光器溫度精密控製)和熱能回收發電(例如，放射性同位素溫差發電器)等領域具有重要應用。傳統高性能熱電材料多為無機半導體，其化學鍵以共價鍵為主，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，但熱電性能普遍低於無機材料。因此，開發出室溫下兼具優異熱電性能和塑性變形能力的新型無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一步提高了材料開發與設計的難度。

　　為解決這一難題，張倩教授和毛俊教授團隊製備了厘米級高品質鉍化鎂單晶，該材料在室溫下表現出優異的塑性變形能力。研究發現，鉍化鎂單晶在麵內方向的壓縮應變超過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數量級，甚至超過了部分具有類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鬆實現彎折、扭曲等多種類型的塑性形變。鉍化鎂單晶除了具有出色的塑性變形能力外，優化後的鉍化鎂單晶在室溫下還表現出優異的熱電性能。碲摻雜的鉍化鎂(Mg3Bi1.998Te0.002)單晶在麵內方向的熱電功率因子約為55 μW cm-1 K-2，室溫熱電優值zT約為0.65。通過對比不同材料的室溫熱電性能與材料的最大拉伸應變，可以發現鉍化鎂單晶兼具優異的塑性與熱電性能，其性能優於目前的塑性半導體材料。

圖1 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，發生塑性變形後的鉍化鎂單晶中存在大量滑移帶和位錯。針對位錯的進一步分析確定了材料中滑移係為柱麵滑移係。此外，利用第一性原理計算對鉍化鎂材料中潛在的滑移係(即基麵滑移係，柱麵滑移係與錐麵滑移係)的滑移勢壘與解理能進行了評估。計算結果發現鉍化鎂中的多個滑移麵均具有較低的滑移勢壘。因此，這表明材料中可能存在多個滑移係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程中的鍵能進行量化分析，發現滑移中連續的動態成鍵過程能夠有效地阻止原子麵的解理，這對材料的塑性變形也起到了重要貢獻。

圖2 變形後的鉍化鎂單晶微觀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、吉林大學付鈺豪副教授、中國科學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後趙鵬為論文第一作者，博士生薛文華和中國科學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、博士後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，以及東北大學趙立佳教授和吉林大學博士研究生穆慧敏參與相關研究工作。

　　該研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、廣東省卓越青年團隊、深圳市傑出青年基金等項目支持。