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中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員仇鵬飛、史迅和陳立東與合作者，在脆性碲化鉍（Bi2Te3）基材料中通過調(diào)制反位缺陷誘導(dǎo)形成高密度/多樣化的微觀結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了材料從脆性至塑性的轉(zhuǎn)化，并將塑性熱電材料的室溫?zé)犭妰?yōu)值提升至約1.0。相關(guān)成果近日發(fā)表于《科學(xué)》。在室溫下，無機(jī)非金屬材料通常表現(xiàn)為脆性，難以像金屬一樣精準(zhǔn)加工，且易突然斷裂失效。目前，具有本征塑性的塊體無機(jī)非金屬材料種類較稀少，且熱電性能遠(yuǎn)低于經(jīng)典的脆性材料。Bi2Te3基材料是室溫區(qū)域最好的熱電材料，但它們通常為脆性。由于Bi和Te相近的原子半徑和電負(fù)性，Bi2Te3基材料易形成高濃度的本征缺陷，進(jìn)而誘導(dǎo)形成高密度/多樣化的微觀結(jié)構(gòu)，影響材料的力學(xué)性能。研究團(tuán)隊利用溫度梯度法制備了化學(xué)計量比精確調(diào)控的Bi2Te3塊體單晶，展現(xiàn)出優(yōu)良的塑性變形能力。透射電鏡表征發(fā)現(xiàn)，Bi2Te3單晶中存在由BiTe和TeBi反位缺陷轉(zhuǎn)變而成的高密度/多樣化微觀結(jié)構(gòu)。研究團(tuán)隊利用分子動力學(xué)計算揭示了其對力學(xué)性能的影響，證明這種微觀結(jié)構(gòu)是Bi2Te3單晶發(fā)生塑化的重要原因。研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，塑性Bi2Te3單晶具有優(yōu)異的熱電性能，室溫功率因子和熱電優(yōu)值遠(yuǎn)高于已報道的塑性熱電材料。他們通過固溶Sb調(diào)控載流子濃度，在保持優(yōu)良塑性的同時，進(jìn)一步提高了室溫功率因子和熱電優(yōu)值。最后，研究團(tuán)隊選取塑性Bi0.8Sb1.2Te3單晶和Ag2Se0.67S0.33，分別作為p型和n型熱電臂，制備了8對具有Y型結(jié)構(gòu)的柔性熱電器件。在19℃的環(huán)境溫度下，將該器件佩戴于人體，獲得的器件最大歸一化功率密度為2.0 μW/cm2，遠(yuǎn)高于基于其他塑性熱電材料的器件。該研究不僅開發(fā)出一種新型高性能塑性無機(jī)熱電材料，還提供了一種將脆性材料轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄圆牧系挠行Р呗?，為脆性無機(jī)非金屬材料的塑化研究提供了重要借鑒。相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1126/science.adr8450（原載于《中國科學(xué)報》?2024-12-09?第1版?要聞）