哈工大（深圳）/中科院物理所/吉大，三校聯合重磅Nature！

一、【導讀】

由于離域電子和金屬陽離子之間存在由強大靜電力形成的金屬鍵，金屬通常展現出足夠的延展性和韌性。與此相反，半導體由于共價鍵或離子鍵的方向性，原子滑動時會產生排斥作用，因此半導體很脆。因此，由無機半導體組成的傳統熱電材料，它們的變形能力有限。最近，一些具有塑性變形能力的無機半導體材料被報道出來，例如Ag₂S合金、ZnS、InSe和幾種范德華材料。由于柔性熱電設備主要針對人體熱量采集和個性化體溫調節等應用，因此在環境溫度下具有高熱電性能的材料非常受歡迎。遺憾的是，室溫熱電材料非常有限，更不用說還要滿足塑性變形的額外要求了。

二、【成果掠影】

在此，哈爾濱工業大學（深圳）張倩教授，毛俊教授，中國科學院物理研究所王玉梅副研究員和吉林大學付鈺豪研究員（共同通訊作者）發現Mg₃Bi₂單晶在室溫下具有塑性，而且它們還顯示出優于最先進的韌性半導體的熱電性能。當沿著（0001）平面（即ab平面）施加張力時，單晶Mg₃Bi₂的室溫拉伸應變高達100%，這個值比傳統的熱電材料至少高出一個數量級，并且優于許多在類似結構中結晶的金屬。進一步實驗結果表明，在變形的Mg₃Bi₂中存在滑移帶和位錯，表明位錯的滑動是塑性變形的微觀機制。化學鍵分析顯示，多個平面具有較低的滑移勢壘能，表明Mg₃Bi₂中存在多個滑移體系。同時，在滑動過程中，連續的動態鍵合阻止了原子平面的裂解，從而保持了較大的塑性變形。重要的是，摻雜碲的單晶Mg₃Bi₂的功率因數約為55μW/cmK²，室溫下沿ab面的品質因數約為0.65，性能優于現有的延性熱電材料。

此外，通過調整化學計量學制備的p型單晶Mg₃Bi₂也顯示出約110%的較大拉伸應變，與Mg₃Bi₂基材料的電傳輸特性依賴于鎂含量不同。由于價帶的各向異性，p型Mg₃Bi₂的熱電傳輸特性在ab平面和c平面之間存在差異。

相關研究成果以“Plasticity in single-crystalline Mg₃Bi₂?thermoelectric material”為題發表在Nature上。

三、【核心創新點】

1.本文發現單晶Mg₃Bi₂的室溫拉伸應變可達100%。在變形的Mg₃Bi₂中發現了滑移帶和高密度的邊緣位錯，證實了位錯滑動是塑性變形的基本機制。

2.摻雜碲單晶Mg₃Bi₂的功率因數約為55μW/cmK²，室溫下沿ab面的品質因數約為0.65，性能優于現有的延性熱電材料。

四、【數據概覽】

圖1 Mg₃Bi₂的塑性變形性? 2024 Springer Nature

圖2 Mg₃Bi₂的微觀結構表征? 2024 Springer Nature

圖3 Mg₃Bi₂中的粘結特性和滑動? 2024 Springer Nature

圖4 單晶Mg₃Bi_2-xTe_x沿ab面的熱電性能? 2024 Springer Nature

五、【成果啟示】

綜上所述，本文發現單晶Mg₃Bi₂的室溫拉伸應變可達100%。在變形的 Mg₃Bi₂中發現了滑移帶和高密度的邊緣位錯，證實了位錯滑動是塑性變形的基本機制。同時，計算揭示了幾個具有低滑動勢壘能的原子面的存在，表明Mg₃Bi₂?中可以激活多個滑動系統。在滑動過程中，鎂-鉍的動態結合持續存在，從而阻止了原子面的裂解。此外，基于Mg₃Bi₂的單晶材料在室溫下的功率因數約為55 μW cm^-1?K^-2，品質因數約為0.65，優于最先進的韌性熱電材料。

文獻鏈接：“Plasticity in single-crystalline Mg₃Bi₂?thermoelectric material”（Nature，2024，10.1038/s41586-024-07621-8）

本文由材料人CYM編譯供稿。