图 具有高密度/多样化微结构的塑性Bi₂Te₃晶体

　　在国家自然科学基金项目（批准号：52122213、52232010）等资助下，中国科学院上海硅酸盐研究所史迅研究员、陈立东研究员与合作者在脆性无机非金属材料塑化研究方面取得进展。相关成果以“含缺陷的Bi₂Te₃基热电晶体室温反常塑性（Room-temperature exceptional plasticity in defective Bi₂Te₃-based bulk thermoelectric crystals）”为题，于2024年12月6日在线发表于《科学》（Science）。论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr8450。

　　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，且易突然断裂造成灾难性失效。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。理论上，当无机非金属材料中同时存在两种及以上的高浓度本征缺陷时，缺陷间的相互作用、聚集和移动可能在材料内部引入高密度/多样化的微结构，有望实现材料的塑化。然而，在无机非金属材料中这一策略尚未实现。

　　史迅研究员团队在脆性碲化铋（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。Bi₂Te₃单晶展现出优良的塑性变形能力，沿面内方向的三点弯曲应变量＞20%，压缩应变量＞80%，可以被弯曲成为环状而不发生开裂。透射电镜表征发现Bi₂Te₃单晶中存在由Bi_Te和Te_Bi反位缺陷转变而成的高密度/多样化的微观结构，如线缺陷（位错、涟漪）或面缺陷（交错层、超位错）甚至局部晶格畸变等。分子动力学计算证明了这种微观结构是Bi₂Te₃单晶发生塑化的重要原因。塑性Bi₂Te₃单晶具有优异的热电性能，室温热电优值远高于已报道的塑性热电材料。通过固溶Sb调控载流子浓度，在保持优良塑性的同时，可以将热电优值进一步提高。最后，研究团队基于塑性Bi_0.8Sb_1.2Te₃单晶制备了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2.0 μWcm^-2，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。