【williamhill英国官网宣】（前沿学部 文/图）近日，williamhill英国官网校区前沿学部材料科学与工程学院张倩教授、毛俊教授团队在塑性Mg₃(Sb, Bi)₂热电材料研究方向取得新进展，实现热电性能与力学性能的协同调控。团队提出通过室温塑性形变技术引入缺陷，并结合退火处理选择性降低位错密度、保留变形孪晶，一方面厘清了位错和孪晶对载流子输运的不同作用，另一方面在热电性能基本恢复至初始水平的同时，显著提升Mg₃(Sb, Bi)₂材料的强度与硬度。该研究成果以“基于室温塑性形变技术的无机热电材料性能调控”（“Leveraging room-temperature plastic deformation for tailoring inorganic thermoelectrics”）为题，发表于《美国科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America）。

热电材料可以实现热能与电能的直接相互转换，在热能发电和固态制冷等领域具有重要应用前景。然而，传统无机热电材料大多属于共价半导体，普遍存在明显脆性和可加工性差等问题，制约了器件制备与服役可靠性。Mg₃(Sb, Bi)₂兼具优异热电性能和室温塑性，是突破传统脆性半导体瓶颈的理想体系。但塑性变形会引入位错、孪晶等多种晶体缺陷，各类缺陷如何影响电子和声子输运是塑性热电材料研究中一个有待厘清的关键问题。

针对上述关键科学问题，研究团队选取Mg_3.2Sb_1.5Bi_0.49Te_0.01、Mg_3.2Sb_0.49Bi_1.5Te_0.01两种典型样品开展相关研究。以Mg_3.2Sb_1.5Bi_0.49Te_0.01为例，通过对材料施加0%至15%的室温压缩应变，研究发现塑性变形会显著提升材料内部的位错密度与孪晶比例（图1A-B）。随应变量增加，材料近室温区间电阻率和Seebeck系数显著提升，最终近室温功率因子明显下降（图1C-E）。

为区分位错和孪晶对热电输运性质的影响，团队利用二者热稳定性的差异，对变形样品进行退火处理。经退火处理后，15%应变样品的位错密度大幅下降，而变形孪晶比例基本保持不变。与此同时，材料的近室温电阻率、Seebeck系数和功率因子整体恢复至接近未变形样品的水平（图1C-E）。在三次循环测试中，样品在300 K至773 K温区的平均功率因子均保持在初始值的98%以上，表明样品具有良好的循环稳定性（图1F）。此外，退火后保留的共格孪晶界能够有效阻碍位错运动，从而实现强化作用（图2）。经室温压缩变形（15%应变）和退火处理后，Mg_3.2Sb_1.5Bi_0.49Te_0.01和Mg_3.2Sb_0.49Bi_1.5Te_0.01的屈服强度分别提高83.4%和37.5%，硬度分别提高28%和17%，同时压缩断裂应变仍接近或高于40%（图1G-I）。

图 1 变形-退火处理协同提升Mg₃(Sb, Bi)₂热电材料的综合性能。（A-B）不同预应变量样品退火前后的位错密度和孪晶比例；（C-E）无应变样品、15%应变样品及15%应变–退火后样品的电阻率、Seebeck系数和功率因子；（F）多次变形–退火循环后的电输运性能恢复情况；（G）无应变样品与15%应变–退火后样品的工程应力–应变曲线对比，插图为0-5%应变区间的放大图；（H-I）两种组分样品经不同程度预变形和退火后的硬度测试结果。

图 2 变形后Mg₃(Sb, Bi)₂材料中孪晶与位错的微观结构表征。（A-C）变形孪晶的形貌、界面结构和晶体学取向关系；（D-F）不同衍射条件下的位错成像及消光分析。

williamhill英国官网校区为论文第一完成单位。williamhill英国官网校区博士研究生张天宇、硕士研究生徐耀为论文共同第一作者，张倩教授、毛俊教授为论文共同通讯作者。williamhill英国官网校区陈尚豪、江峰、林晨浩、芝世珍、程谨轩、陈江、吴隆智参与相关研究工作。本工作还得到了williamhill英国官网校区曹峰教授、燕山大学赵鹏教授、吉林大学付钰豪教授和实验与创新教育中心姚兆月老师的支持和帮助。该研究得到了国家杰出青年科学基金、广东省基础与应用基础研究基金、国家自然科学基金面上项目等项目支持。（编辑 谢梁晖 审核 张惠屏 陈南坤）