资讯：Science | 中科院上海硅酸盐研究所无机非金属材料塑化调控最新进展

文摘 2024-12-06 17:55 江苏

文章来源：微算云平台

无机半导体中的类似金属室温塑性重塑了人们对材料物理性质的认识，催生了一系列新概念功能材料。然而，目前的室温塑性无机半导体仍然非常罕见，其性能也不如经典的脆性半导体。

在此，中国科学院上海硅酸盐研究所史迅研究员，陈立东研究员和仇鹏飞研究员等人以经典的铋碲化物（Bi₂Te₃）基热电半导体为例，展示了抗位错缺陷可以导致高密度、多样化的微观结构，这些结构显著影响机械性能，从而成功地将这些块体半导体从脆性转变为塑性，使得在300开尔文时的优值高达1.05，与其他塑性半导体相比，类似于最佳脆性半导体。本文提供了一种有效的策略，将脆性半导体塑化以同时展示良好的塑性和出色的功能性。

相关文章以“Room-temperature exceptional plasticity in defective Bi₂Te₃-based bulk thermoelectric crystals”为题发表在Science上。

研究背景

无机半导体具有丰富的功能、高载流子迁移率和良好的稳定性，是电子工业的关键组成部分。由于其固有的强离子和/或定向共价键，无机半导体通常是脆性的，在室温下的变形应变小于1%，这极大地限制了它们在柔性和可变形电子中的应用。开发具有体积塑性的无机半导体是一个长期追求的目标。最近，将室温金属样塑性与可调带隙和高载流子迁移率相结合，产生了一系列的具有各种功能特性的塑性无机半导体。这些材料对一系列工业应用具有吸引力。一个例子是塑性无机热电（TE）半导体，它们同时具有出色的可变形性和良好的TE性能。利用这些体积塑性半导体开发了高效的柔性TE设备，为可穿戴设备提供自供电技术。然而，以前的研究只关注于发现本质上具有塑性的无机TE半导体，这类半导体是罕见的。此外，塑性无机TE半导体在室温下的最大TE优值远低于最先进的脆性TE材料。

在机械载荷下裂纹扩展与塑性变形之间的竞争在很大程度上决定了材料是以脆性还是塑性方式变形。如果施加的应力能够在可能破坏材料的裂纹形成和扩展之前得到放松或耗散，通常就会发生塑性或弹性变形。高密度、多样化的微观结构（例如，位错、堆叠层错、孪晶、相界和扭曲界面）的存在可以有效放松和耗散施加的应力，从而阻碍裂纹扩展。在金属中，这些微观结构可以在机械载荷下自发形成，导致出色的塑性。然而，在无机半导体中，强离子或定向共价键使得在机械载荷下难以生成高密度、多样化的微观结构。这是具有完美晶格的无机半导体通常塑性差的主要原因之一（图1A和B）。如果能够在机械载荷之前将高密度、多样化的微观结构引入无机半导体，由于施加的应力的快速放松和耗散，可能会发生从脆性到塑性的转变（图1A和B）。

研究内容

作者以经典的铋碲化物（Bi₂Te₃）基热电半导体为例，展示了缺陷工程如何改变脆性半导体的机械性能。研究发现，抗位错BiTe和TeBi缺陷的共存可以在体晶体中导致高密度、多样化的微观结构（例如，线缺陷（位错和层错位错）、平面缺陷（交换双层和超位错）以及晶格畸变）。这不仅在室温下导致了非凡的塑性（图1C），同时也提高了热电优值（zT = 1.05）（图1D）。本文的策略是将脆性材料转变为更具塑性的行为，这也能够提高塑性半导体的热电性能，使其与脆性热电材料更具竞争力。

在无机半导体中通常存在内在缺陷（例如，抗位错、空位和间隙）。当不同种类的内在缺陷形成能量相当时，它们可以共存于晶格内部并容易发生改变。如图2A所示，当组成落在红色方框范围内时，内在缺陷A和B可以同时产生。这些内在缺陷的相互作用、聚集和运动可能进一步形成高密度、多样化的微观结构，将脆性材料工程化为塑性材料。

图1：Bi₂Te₃基TE晶体的可塑性。

图2：在缺陷的Bi₂Te₃晶体中由抗位错引起的异常塑性。

图3：Bi₂Te₃晶体中的高密度、多样化微观结构。

图4：Bi₂Te₃晶体的分子动力学模拟。

图5：缺陷Bi₂Te₃基晶体的力学性能和TE性能。

文献信息

Tingting Deng†, Zhiqiang Gao†, Ze Li†, Pengfei Qiu*, Zhi Li, Xinjie Yuan, Chen Ming, Tian-Ran Wei, Lidong Chen*, Xun Shi* , Room-temperature exceptional plasticity in defective Bi₂Te₃-based bulk thermoelectric crystals, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr8450

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