鉍化鎂單晶為塑性熱電材料帶來新可能
【化工儀器網(wǎng) 行業(yè)百態(tài)】塑性熱電材料是一種能夠在室溫或特定條件下表現(xiàn)出優(yōu)異塑性變形能力和熱電性能的材料。在柔性電子、異形熱源與廢熱回收發(fā)電等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。根據(jù)塑性熱電材料的組成和特性，可以將其進(jìn)一步劃分。例如根據(jù)材料采用的是無機(jī)半導(dǎo)體還是有機(jī)半導(dǎo)體，可以將塑性熱電材料分為無機(jī)塑性熱電材料和有機(jī)塑性熱電材料兩個(gè)類別。其中無機(jī)塑性熱電材料是目前市場(chǎng)的主流。
然而，無機(jī)塑性熱電材料卻存在很大的缺陷，由于無機(jī)半導(dǎo)體存在本征脆性，所以相關(guān)材料在彎曲和拉伸狀態(tài)下易發(fā)生斷裂，變形能力較弱。這也直接影響了無機(jī)塑性熱電材料的塑性變形能力，限制其使用場(chǎng)景。與之相對(duì)的，有機(jī)半導(dǎo)體因?yàn)榇嬖谳^好的變形能力，因此更易于塑性變形，但其熱電性能又不夠理想。簡(jiǎn)單的說，塑性變形能力與熱電性能間的此消彼長(zhǎng)，成為了塑性熱電材料進(jìn)一步發(fā)展的一個(gè)制約因素。
好在近年來，塑性熱電材料領(lǐng)域取得了多項(xiàng)重要進(jìn)展，這一問題也慢慢出現(xiàn)轉(zhuǎn)機(jī)。一方面，利于塑性變形的無機(jī)半導(dǎo)體材料被發(fā)現(xiàn)；另一方面分子設(shè)計(jì)、復(fù)合材料等手段也為有機(jī)塑性熱電材料熱電性能提升提供了發(fā)展思路。
而就在最近哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)材料科學(xué)與工程學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)，在塑性熱電材料領(lǐng)域取得新突破更進(jìn)一步推動(dòng)了該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。據(jù)悉，該校團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)鉍化鎂單晶在室溫下兼具出色塑性變形能力與優(yōu)異熱電性能。
根據(jù)哈工大新聞網(wǎng)消息顯示，相關(guān)團(tuán)隊(duì)為了解決無機(jī)塑性熱電材料的可塑性缺陷，制備了厘米級(jí)高品質(zhì)鉍化鎂單晶，該材料在室溫下表現(xiàn)出優(yōu)異的塑性變形能力。研究發(fā)現(xiàn)，鉍化鎂單晶在面內(nèi)方向的壓縮應(yīng)變超過75%，拉伸應(yīng)變高達(dá)100%，這一數(shù)值相較傳統(tǒng)熱電材料高出了一個(gè)數(shù)量級(jí)，甚至超過了部分具有類似晶體結(jié)構(gòu)的金屬材料(例如鈦、鎂、鋯、鈷和鉿)。
報(bào)告中還提到，鉍化鎂單晶可以在室溫下輕松實(shí)現(xiàn)彎折、扭曲等多種類型的塑性形變。并且在保證了出色的塑性變形能力外，室溫下還表現(xiàn)出優(yōu)異的熱電性能。碲摻雜的鉍化鎂(Mg3Bi1.998Te0.002)單晶在面內(nèi)方向的熱電功率因子約為55 μW cm-1 K-2，室溫?zé)犭妰?yōu)值z(mì)T約為0.65。對(duì)比不同材料，其綜合性能優(yōu)于目前的塑性半導(dǎo)體材料。
關(guān)于這種特性出現(xiàn)的原因，研究團(tuán)隊(duì)也嘗試進(jìn)行探明。在掃描透射電子顯微表征技術(shù)幫助下，通過對(duì)微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，最終將塑性變形能力的原因，鎖定在了鉍化鎂單晶中的多個(gè)滑移系上。此外，研究中還發(fā)現(xiàn)，滑移中連續(xù)的動(dòng)態(tài)成鍵過程能夠有效地阻止原子面的解理，這同樣是材料具備優(yōu)秀塑性變形能力的主要原因。
目前相關(guān)的研究論文已發(fā)表于權(quán)威期刊《自然》(《Nature》)上，相關(guān)內(nèi)容也可以在哈工大新聞網(wǎng)上進(jìn)行查詢?yōu)g覽。而從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度來看，這一成果不僅推動(dòng)了塑性熱電材料領(lǐng)域的發(fā)展，也為相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)步提供了重要的材料基礎(chǔ)。
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