張清杰團隊Phys. Rev. Lett.: 納米孿晶增強熱電半導體InSb的機械強度

【引言】

在過去的二十年中，熱電（TE）材料的轉換效率（zT）顯著增加，但其工程應用受到機械性能差的限制，特別是熱電材料在服役條件下的低強度現象，是熱電材料商業應用的重要瓶頸。在熱電器件的工程應用中，溫度梯度循環荷載作用下，不可避免的熱應力容易引起材料性能的急劇劣化，加速熱電器件的失效。因此，TE材料需要優異的機械性能，比如高機械強度和韌性。

【成果簡介】

近日，武漢理工大學張清杰教授團隊的李國棟博士與美國西北大學Jeff Snyder教授和美國內華達大學安琪教授等合作,使用密度泛函理論（DFT）揭示了一種由孿晶邊界（TBs）引起的熱電半導體InSb的強度增強的現象。該研究發表于Physical Review Letters，題為“Enhanced Strength Through Nanotwinning in the Thermoelectric Semiconductor InSb”。孿晶邊界引起的強化效果使得InSb理想晶體的理論剪切強度提高了11%，而理論強度被認為是實際材料可達到強度的上限。DFT計算結果表明，孿晶界面的定向共價鍵重組可協調結構差異，導致結構反對稱抵抗變形，同時有效地增強了孿晶界面的剛度,在InSb納米孿晶中產生了顯著增強的應力響應。該工作揭示了納米孿晶熱電半導體的變形機制，有助于開發高可靠性的熱電器件。

【圖文導讀】3

圖1. InSb單晶和納米孿晶的剪切應力—應變關系和原子構型

（a）InSb單晶沿著不同滑移系的應力—應變關系。

（b）InSb單晶沿(111) ?-1-12?滑動系的原子構型，該結構包含24×In和24×Sb原子。

（c）InSb單晶沿(111) ?11-2?滑移系的原子構型。

（d）InSb納米孿晶沿{111}面的孿晶結構。該結構包含48×In和48×Sb原子，孿晶間距是1.0納米。

（e）InSb納米孿晶的應力—應變關系和InSb單晶沿最可能的滑移系(111) ?11-2?的對比。

圖2. 單晶InSb 沿(111) ?11-2?和(111) ?-1-12?滑移系剪切時的結構形變和化學鍵響應進程

（a）在(111) ?11-2?滑移系破壞前（0.592剪切應變下）的結構。 （b）在(111) ?11-2?滑移系破壞應變（0.605）時的結構。In2和Sb1原子之間的虛線表示弱或非成鍵相互作用。

（c）隨著(111) ?11-2?系剪切應變的增加，鍵長（In1-Sb1和In2-Sb1）和鍵角（In3-Sb1-In2和In3-Sb1-In1）的變化。圖2（c）中的紅色虛線表示破壞前的應變。

（d）在(111) ?-1-12?滑移系0.300剪切應變（對應的理想剪切強度）下的結構。

（e）在(111) ?-1-12?系的破壞應變為0.491時的結構。

（f）隨著(111) ?-1-12?系剪切應變的增加，鍵長（In1-Sb1和In2-Sb1）和鍵角（In3-Sb1-In2和In3-Sb1-In1）的變化。

圖3. InSb納米孿晶的結構演變規律

（a）0.266剪切應變下對應于理想剪切強度的結構。

（b）0.277剪切應變下的結構。In2-Sb1共價鍵斷裂，新的In3-Sb1鍵生成，使下半部分左移一個“In-Sb六邊形”。

（c）在結構重排前，0.438剪應變下的結構。

（d）在0.448剪切應變下的結構。In3-Sb1共價鍵斷裂，新的In4-Sb1鍵形成，使下半部分左移一個“In-Sb六邊形”。

（e）結構破壞前，0.623剪切應變下的結構。

（f）失效應變0.634時的結構。In4-Sb1共價鍵斷裂，形成一個新的In1-Sb1鍵，使下半部分再左移一個“In-Sb六邊形”。孿晶結構中的In5-Sb2鍵斷裂，同時In5-Sb5鍵形成，剪切應力完全釋放，致使結構破壞。

圖4. 雙軸剪切形變的InSb納米孿晶和理想晶體的應力響應和原子構型

理想晶體沿(111) ?11-2?滑動系剪切。

（a）剪切應力與剪切應變關系。

（b）破壞前的理想晶體在0.311應變下的原子結構。

（c）理想晶體在破壞應變為0.323的原子結構。

（d）破壞前的InSb納米孿晶在0.177應變下的原子結構。

（e）InSb納米孿晶在0.187應變下的失效結構。

?【小結】

該研究利用DFT研究了納米孿晶對InSb共價熱電半導體力學性能的影響，證實了通過控制孿晶界面的平面缺陷，InSb的本征機械強度可以提高11％。這種強化來源于納米孿晶結構的上半和下半部分的各向異性剪切應力響應，以及由于納米孿晶界面的定向共價鍵重排而導致的結構剛性的增強。這種強化機制應該適用于具有類似晶體結構的其他低強度半導體，例如GaAs和ZnSe，以及可能具有這種納米孿晶的其他低強度材料。

文獻鏈接： Enhanced Strength Through Nanotwinning in the Thermoelectric Semiconductor InSb (Physical Review Letters, 2017, DOI: 10.1103/PhysRevLett.119.215503)

本文由材料人計算材料組Annay供稿，材料牛整理編輯。

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