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最近在无机半导体中发现的类金属室温塑性，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，目前室温塑性无机半导体仍然非常罕见，其性能不如经典的脆性半导体。2024年12月5日，中国科学院上海硅酸盐研究所史迅、陈立东、仇鹏飞共同通讯在Science 在线发表题为”Room-temperature exceptional plasticity in defective Bi2Te3-based bulk thermoelectric crystals“的研究论文，该研究揭示了缺陷Bi2Te3基块状热电晶体的室温异常塑性。
以经典的基于碲化铋（Bi2Te3）的热电半导体为例，反位缺陷可以导致高密度、多样化的微观结构，从而极大地影响机械性能，从而成功地将这些大块半导体从脆性转变为塑性，与其他塑料半导体相比，在300开尔文时具有高达1.05的高品质，类似于最好的脆性半导体。该研究提供了一种有效的策略来塑化脆性半导体，使其同时具有良好的塑性和优异的功能。
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有机半导体具有丰富的功能，载流子迁移率高，稳定性好，是电子工业的关键元件。由于固有的强离子和/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<1%，这极大地限制了它们在柔性和可变形电子产品中的应用。开发大块塑料无机半导体是一个长期追求的目标。最近，室温类金属塑性与可调带隙和高载流子迁移率的集成生产了一系列具有各种功能特性的塑料无机半导体。这些材料对一系列工业应用具有吸引力。一个例子是塑料无机热电（TE）半导体，它同时具有优异的可变形性和良好的TE性能。利用这些大块塑料半导体开发出了高效柔性TE器件，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可塑的无机TE半导体，这是罕见的。此外，塑料无机TE半导体的最大室温TE优值远低于最先进的脆性TE材料。缺陷Bi2Te3基TE晶体的特殊塑性（图源自Science）在机械载荷下，裂纹扩展和塑性变形之间的竞争在很大程度上决定了材料的脆性变形还是塑性变形。如果在可能破坏材料的裂纹形成和扩展之前，施加的应力可以被放松或消散，通常会发生塑性或弹性变形。高密度、多样的微观组织（如位错、层错、孪晶、相界和扭曲界面）的存在可以有效地放松和消散外加应力，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产生，从而具有优异的可塑性。然而，在无机半导体中，强离子或方向共价键使得在机械载荷下难以产生高密度、多样化的微结构。该研究成功地实现了缺陷Bi2Te3基块状晶体的非凡塑性，并将塑料TE半导体的室温zT提高到1.05，与最好的脆性TE半导体相媲美。发现在脆性碲化铋中引入高密度缺陷会使材料具有塑料性，并且还提高了热电效率。这些缺陷在单晶碲化铋中产生了许多不同的微观结构，从而改善了性能。这项工作不仅提供了一种不同的高性能塑料TE材料，还提供了一个有效的策略，通过反原位缺陷将脆性材料转化为塑料材料。https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr8450![]()
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