中国科学院上海硅酸盐研究所研究员仇鹏飞、史迅和陈立东与合作者，在脆性碲化铋（Bi2Te3）基材料中通过调制反位缺陷诱导形成高密度/多样化的微观结构，实现了材料从脆性至塑性的转化，并将塑性热电材料的室温热电优值提升至约1.0。相关成果近日发表于《科学》。

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▲具有高密度/多样化微结构的塑性Bi2Te3晶体的（A）三点弯曲应力-应变曲线和（B）热电性能

在室温下，无机非金属材料通常表现为脆性，难以像金属一样精准加工，且易突然断裂失效。目前，具有本征塑性的块体无机非金属材料种类较稀少，且热电性能远低于经典的脆性材料。

Bi2Te3基材料是室温区域最好的热电材料，但它们通常为脆性。由于Bi和Te相近的原子半径和电负性，Bi2Te3基材料易形成高浓度的本征缺陷，进而诱导形成高密度/多样化的微观结构，影响材料的力学性能。

研究团队利用温度梯度法制备了化学计量比精确调控的Bi2Te3块体单晶，展现出优良的塑性变形能力。透射电镜表征发现，Bi2Te3单晶中存在由BiTe和TeBi反位缺陷转变而成的高密度/多样化微观结构。研究团队利用分子动力学计算揭示了其对力学性能的影响，证明这种微观结构是Bi2Te3单晶发生塑化的重要原因。

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▲塑性Bi2Te3晶体中高密度/多样化微结构的透射电镜图片及(006)晶面的摇摆曲线

研究团队发现，塑性Bi2Te3单晶具有优异的热电性能，室温功率因子和热电优值远高于已报道的塑性热电材料。他们通过固溶Sb调控载流子浓度，在保持优良塑性的同时，进一步提高了室温功率因子和热电优值。

最后，研究团队选取塑性Bi0.8Sb1.2Te3单晶和Ag2Se0.67S0.33，分别作为p型和n型热电臂，制备了8对具有Y型结构的柔性热电器件。在19℃的环境温度下，将该器件佩戴于人体，获得的器件最大归一化功率密度为2.0μW/cm2，远高于基于其他塑性热电材料的器件。

该研究不仅开发出一种新型高性能塑性无机热电材料，还提供了一种将脆性材料转变为塑性材料的有效策略，为脆性无机非金属材料的塑化研究提供了重要借鉴。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1126/science.adr8450

来源：中国科学报（2024-12-09 第1版 要闻）

责任编辑：王颖