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图 Mg₃Bi₂单晶的室温塑性与热电性能及其微观塑性变形机制

　　 在国家自然科学基金项目（批准号：51971081、52101248）等资助下，哈尔滨工业大学（深圳）张倩教授和毛俊教授联合吉林大学付钰豪副教授、中国科学院物理研究所王玉梅副研究员在塑性热电材料领域取得突破性进展。相关研究成果以“塑性铋化镁单晶热电材料（Plasticity in single-crystalline Mg₃Bi₂ thermoelectric material）”为题，于2024年7月11日在《自然》（Nature）上发表。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07621-8。该工作中研究人员发现了铋化镁（Mg₃Bi₂）单晶在室温下兼具非凡的塑性变形能力与优异的热电性能。

　　 热电材料能够直接实现热能与电能的相互转换，在电子器件制冷和热能回收发电领域具有重要应用。传统高性能热电材料多为无机半导体，其化学键以共价键为主，材料往往表现出本征脆性，在弯曲和拉伸状况下易发生断裂。与之相比，有机半导体通常具有良好的变形能力，但热电性能普遍低于无机材料。因此，开发出室温下兼具优异热电性能和塑性变形能力的新型无机热电材料具有重要意义。然而，在室温附近具备高热电性能的材料非常有限，额外的塑性变形能力要求则进一步提高了材料开发与设计的难度。

　　 为解决这一难题，张倩教授等制备了厘米级高品质Mg₃Bi₂单晶，该材料在室温下表现出优异的塑性变形能力。研究发现，Mg₃Bi₂单晶在面内方向的压缩应变超过75%，拉伸应变高达100%。这一数值相较传统无机热电材料高出了一个数量级，甚至超过了部分具有类似晶体结构的金属材料（例如钛、镁、锆、钴和铪）。此外，Mg₃Bi₂单晶可以在室温下轻松实现弯折、扭曲等多种类型的塑性形变。Mg₃Bi₂单晶除了具有出色的塑性变形能力外，优化后的Mg₃Bi₂单晶还表现出优异的热电性能。在室温下，Mg₃Bi_1.998Te_0.002单晶在面内方向的功率因子约为55 μW cm^-1 K^-2，热电优值zT约为0.65。通过对比不同材料的室温热电性能与材料的最大拉伸应变，可以发现Mg₃Bi₂单晶兼具优异的塑性与热电性能，其性能优于目前的塑性半导体材料。

　　 微观结构表征发现，变形后的Mg₃Bi₂单晶中存在大量滑移带和高密度位错。针对位错的分析确定了材料中滑移系为柱面沿着和方向滑移。此外，利用第一性原理计算对Mg₃Bi₂中潜在滑移系的滑移势垒与解理能进行了评估。计算结果发现Mg₃Bi₂中的多个滑移面均具有较低的滑移势垒，这包括实验观测到的滑移面。因此，这表明材料中可能存在多个滑移系对Mg₃Bi₂单晶的塑性变形起到贡献。不仅如此，利用晶体轨道分布密度积分对滑移过程中的键能进行量化分析，发现滑移中连续的动态成键过程能够有效地阻止原子面的解理，这对Mg₃Bi₂的塑性变形也起到了重要贡献。