Phys. Rev. Lett.：納米孿晶增強熱電材料Bi2Te3

【引言】

持續大量地使用化石燃料來滿足全球不斷增長的能源需求，造成了嚴重的環境破壞，這引起了科研工作者對熱電（Thermoelectric，TE）轉換技術的關注，即將廢熱直接轉換成電力而不產生二氧化碳。在工業領域，低溫廢熱幾乎占總能量消耗的三分之一，而碲化鉍（Bi₂Te₃）基熱電材料廣泛應用于低溫固態發電機（300-550K）中，進行廢熱的回收利用。然而，碲化鉍（Bi₂Te₃）材料機械強度較低，可能不能長期用于熱電器件。在過去的二十年中，TE材料的轉換效率顯著提高，達到了工業應用的標準。然而在嚴峻的工作條件下，TE材料不可避免地受到由于溫度梯度循環所產生的熱機械應力，導致其材料性能急劇惡化，加速了熱電器件的失效。為了使熱電材料在能源轉換的工程應用中發揮重要作用，必須大幅度提高其強度和韌性。

【成果簡介】

近日，武漢理工大學的張清杰教授、美國西北大學的G. Jeffrey Snyder教授和內華達大學雷諾分校的Qi An助理教授 (共同通訊作者) 在Physical Review Letters.上發表了“Superstrengthening?Bi2Te3?through Nanotwinning”的文章。研究人員首先用密度泛函理論（DFT）表明，納米級孿晶可以將Bi₂Te₃的理想剪切強度提高到215％。實驗研究發現單晶Bi₂Te₃強度低的原因是Te1與兩個Te1-Bi-Te2-Bi-Te1五層五面體子結構之間的弱范德華作用力。而在相鄰幾何體的Te1原子之間形成的孿晶界，可以顯著增強了它們之間的相互作用，使納米孿晶Bi2Te3的理想剪切強度，相比于單晶（0.19 GPa）增加了近3倍（0.6GPa）。這種晶界工程策略為設計穩定的高性能熱電材料提供了新的途徑。

[致歉：很抱歉，未找到通訊作者Qi An的確切中文名字，小編表示誠摯的歉意！]

【圖文導讀】

圖1 不同結構的Bi₂Te₃晶體結構示意圖

（a）非孿晶Bi₂Te₃的晶體結構。其六方晶胞由沿[001]軸的Te1-Bi-Te2-Bi-Te1（五層子結構）組成，晶胞含6個Bi原子和9個Te原子，分別用紫色和淺黃色球體表示。

（b）納米孿晶Bi₂Te₃結構。孿晶界沿{702}平面，晶胞包含40個Bi原子和60個Te原子，孿晶界的位相差為37°，孿晶尺寸為2.4 nm。 黑色矩形區域代表納米孿晶Bi₂Te₃中的單胞。

圖1（b）中Te1-Te1的弱共價鍵結合力（Te1-Te1 鍵長 3.48埃）比圖1（a）中的范德華Te1-Te1相互作用力要強得多（Te1-Te1 鍵長 3.82埃）。

圖2 單晶Bi₂Te₃的變形行為

（a）剪切變形作用下，沿不同滑移系的剪切應力與剪切應變的關系。

（b）在（001）/<50-1>滑移系中，鍵合拉伸比（Te1-Te1，Bi-Te1，Bi-Te2）與剪切應變的關系。

（c）在0.071剪切應變下的原子結構，其應變對應于沿（001）/<50-1>滑移系的最大剪應力。

（d）在0.221剪應變下的原子結構，對應于沿（001）/<50-1>滑移系的高軟化Te1-Te1鍵。圖2（d） 中紅色虛線和紅色橢圓表示范德華Te1-Te1鍵的軟化。

圖3. 孿晶界沿{702}面的納米孿晶Bi₂Te₃的變形模式

（a）單晶Bi₂Te₃與納米孿晶Bi₂Te₃剪切應力 - 剪切應變關系的比較。

（b）鍵伸縮率[Te1（1）-Te1（2），Te1（2）-Te1（3），Te1（4）-Te1（5），Te1（6）-Te1（7）]與剪切應變的關系。

（c）對應于最大剪切應力的0.123剪切應變下的原子結構。

（d）對應于Te1（2）-Te1（3）鍵斷裂的0.134剪切應變下的原子結構。

（e）與結構失效相對應的0.145剪應變下的原子結構。

圖3（b）中灰色虛線表示失效的臨界應變。 圖3（e）中紅色橢圓表示Te1（2）Te1（3）和Te1（1）-Te1（2）鍵的斷裂。 圖3（e）中的黑色曲線指示了坍塌的孿晶界。

圖4 各種高性能塊體熱電材料的理想剪切強度

插圖表示塊體和納米孿晶Bi₂Te₃的理想強度。

【小結】

本研究應用密度泛函理論（DFT）確定了納米孿晶對Bi₂Te₃力學性能的影響，揭示了在孿晶界附近新形成的Te1-Te1共價鍵顯著提高了Te1-Bi-Te2-Bi這一五層子結構之間的相互作用。納米孿晶的形成顯著增強了結構的剛度，同時抑制了結構的軟化。與單晶Bi₂Te₃（0.19 GPa）相比，納米孿晶Bi₂Te₃的理想強度提高到了0.6 GPa，此工作為提高Bi₂Te₃的機械性能而提出一種新的孿晶工程策略，通過結構改良而不是傳統的元素摻雜便可以實現更高的結構剛度。這項工作為合理地設計穩定的高性能熱電材料開辟了一條新途徑，也可以應用于其他熱電或非熱電能源材料。

文獻鏈接：Superstrengthening Bi2 Te3 through Nanotwinning（Phys. Rev. Lett.,2017,DOI: 10.1103/PhysRevLett.119.085501）

本文由材料人編輯部新人組歐儀編輯，萬鑫浩審核，點我加入材料人編輯部。

材料測試，數據分析，上測試谷!