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碲化鉍(Bi2Te3)基熱電材料涵蓋Bi2Te3及其與Bi2Se3和Sb2Te3形成的贗二元固溶體,在固態(tài)制冷、精準控溫和局域熱管理等方面已實現(xiàn)商業(yè)應用。但是,Bi2Te3基材料本征為脆性,外力作用下易發(fā)生解理破碎,限制了其在柔性/微型電子等領域的應用。此前,中國科學院上海硅酸鹽研究所通過兩類本征反位缺陷的互相作用,在單晶中引入高密度/多樣化微結構,實現(xiàn)了Bi2Te3晶體從脆性至塑性的轉(zhuǎn)化。但是,Bi2Se3和Sb2Te3晶體及其與Bi2Te3形成的贗二元固溶體的力學性能及形變能力,以及它們是否具有類似Bi2Te3單晶的塑性特性尚不清楚。
近日,上海硅酸鹽所團隊聯(lián)合中國科學院大學杭州高等研究院科研人員,揭示了Bi2Se3和Sb2Te3的本征缺陷-微結構-力學性能映射關系,確定了Bi2(Te,Se)3和(Bi,Sb)2Te3贗二元固溶體兼具良好塑性和優(yōu)異熱電性能的化學組分區(qū)間。
研究團隊利用溫度梯度法,合成了Bi2Te3、Bi2Se3和Sb2Te3晶體。與Bi2Te3晶體不同,Bi2Se3和Sb2Te3晶體均表現(xiàn)為脆性,在面內(nèi)方向三點彎曲最大應變量<3%,低于Bi2Te3晶體。透射電鏡表征發(fā)現(xiàn),Bi2Te3晶體存在交錯層、漣漪、層錯等高密度/多樣化微結構,Bi2Se3和Sb2Te3晶體的原子排列較為規(guī)整。這種微結構的差異源于Bi2Te3、Bi2Se3和Sb2Te3不同的本征缺陷特征。理論計算發(fā)現(xiàn),Bi2Te3中兩種反位缺陷BiTe和TeBi的缺陷形成能相等時,其數(shù)值僅為0.6 eV,導致Bi2Te3晶體可同時存在高濃度BiTe和TeBi反位缺陷,形成高密度/多樣化的微結構。Bi2Se3中反位缺陷BiSe和SeBi缺陷形成能相等時的數(shù)值較高,反位缺陷難以同時大量存在;Sb2Te3中反位缺陷SbTe和TeSb的缺陷形成能相等時的數(shù)值較低,但其出現(xiàn)在極富Te區(qū),在實驗上難以實現(xiàn)。因此,Bi2Se3和Sb2Te3晶體中未觀測到高密度/多樣化微結構,材料表現(xiàn)出脆性特征。
在Bi2Te3中固溶Sb或Se將改變其本征缺陷特征,進而影響微結構、力學性能和熱電性能。研究團隊合成了系列Bi2(Te,Se)3和(Bi,Sb)2Te3固溶體。室溫力學性能測試表明,隨著Sb或Se固溶量增加,晶體塑性逐漸減弱。當Sb固溶量低于70%或Se固溶量低于20%時,晶體表現(xiàn)出類似于Bi2Te3的優(yōu)良塑性,沿面內(nèi)方向最大彎曲應變量≥10%。透射電鏡表征發(fā)現(xiàn),具有塑性的Bi2(Te,Se)3和(Bi,Sb)2Te3晶體也存在高密度/多樣化微結構,進一步證明其與塑性的關聯(lián)。熱電性能測試發(fā)現(xiàn),Sb固溶能夠提高Bi2Te3晶體的空穴濃度,Se固溶可以將主要載流子從空穴轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮印M瑫r,固溶Sb或Se均可降低晶格熱導率。綜合力學性能與熱電性能測試結果,研究團隊繪制出Bi2(Te,Se)3與(Bi,Sb)2Te3晶體的組分-塑性-導電類型-熱電性能關系圖。當Sb固溶量0≤y<0.7時,晶體同時具有p型導電行為、優(yōu)良塑性和高熱電性能,其層內(nèi)方向三點彎曲最大應變量≥10%,功率因子PF≥20 μW cm−1K−2,熱電優(yōu)值zT≥0.6。
上述成果拓寬了Bi2Te3基塑性無機熱電材料的研究范疇,深化了科研人員對熱電材料缺陷-微結構-力學性能映射關系的認知,對指導新型高性能塑性無機熱電材料的研究具有重要價值。
相關研究成果發(fā)表在《自然-通訊》(Nature Communications)上。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中國科學院穩(wěn)定支持基礎研究領域青年團隊計劃的支持。 |