通过应变工程调控BaTiO3中的界面电荷传输：柔性电效应与氧空位动态机制

《Journal of Materiomics》：Strain-engineered flexoelectricity and oxygen vacancy dynamics for modulating interfacial charge transport in BaTiO 3

通过第一性原理计算和机器学习方法，系统研究了PbTe晶界处带电缺陷的形成能及其对剪切模量和热电性能的影响。发现晶界处负电荷载流子可显著降低剪切模量（<33.1 GPa），增强声子散射并抑制晶格热导率，为优化PbTe热电材料提供理论依据。

　　本研究聚焦于铅碲（PbTe）材料中的晶界（GBs）缺陷工程，旨在通过分析带电点缺陷对PbTe材料机械性能和热电性能的影响，进一步探索如何通过缺陷工程优化其性能。PbTe作为一种具有岩盐结构的离子化合物，被广泛认为是高效的热电材料，其热电性能在不同类型的掺杂下可以显著提升。然而，由于晶界通常会破坏晶格对称性，导致材料内部出现弱化键合和复杂的几何结构，这不仅会影响材料的机械性能，还会对热传导产生重要影响。因此，研究带电点缺陷在晶界区域的形成能及其对机械性能的影响，对于理解热电性能的优化机制具有重要意义。

在热电材料中，热电性能通常由一个称为“优值”的参数来衡量，该参数结合了Seebeck系数、电导率和热导率。降低热导率是提升热电性能的关键策略之一，而晶界通过引入多层次的声子散射机制，可以有效抑制热传导。此外，带电点缺陷可以通过改变电子结构，如能带退化、能带曲率、谷各向异性等，来调节电导率，从而优化热电性能。在PbTe中，带电点缺陷的作用尤为显著，因为它们能够影响材料的键合特性，进而改变声子的传播行为，从而影响热导率。

本研究采用第一性原理计算方法，对PbTe(111)晶界区域内的各种带电点缺陷（包括本征缺陷和外源掺杂缺陷）的形成能进行了高通量计算，并探讨了这些缺陷对材料机械性能（如剪切模量）的影响。研究发现，PbTe晶界区域的带电点缺陷能够显著降低剪切模量，这主要归因于Pb-Te键的相互作用减弱。剪切模量是衡量材料刚度的重要参数，其降低意味着材料更容易发生形变，从而增加了声子散射的可能性，进而降低了晶格热导率。这种影响在实验中也得到了验证，例如在某些掺杂条件下，晶格热导率的显著降低与带电点缺陷的形成密切相关。

研究还发现，不同类型的带电点缺陷对剪切模量的影响存在差异。例如，某些负电荷缺陷会使得Pb-Te键更加柔软，从而对热导率产生更大的抑制作用。这种效应可以通过机器学习方法进行分析和预测，该方法能够建立带电点缺陷的物理描述符（如电荷状态、原子半径差、电负性差等）与剪切模量之间的关系，从而高效地筛选和设计具有特定性能的PbTe化合物。机器学习模型的预测结果与第一性原理计算结果高度一致，表明该方法在理解材料性能方面具有很高的应用价值。

此外，研究还通过分析带电点缺陷的电荷密度差异，揭示了其对材料键合特性的影响。例如，某些带电点缺陷会使得相邻的Te原子产生较大的电荷积累，从而增强原子间的静电吸引力，进而提升剪切模量。相反，某些缺陷则会使得相邻的Te原子产生电荷耗尽，导致键合减弱，从而降低剪切模量。这种电荷分布的变化不仅影响了材料的机械性能，还进一步影响了其热电性能。因此，理解带电点缺陷的电荷状态对材料性能的影响，是优化热电材料性能的重要途径。

研究还指出，晶界区域的带电点缺陷可以显著改变材料的结构特性，如键长、键合强度等，从而影响其热导率。通过高通量计算，研究发现某些掺杂元素（如Na、K、Br、I、Ga、In、Ta、As、Bi、Sb）在PbTe中具有较高的热电性能，这些元素通过改变电子结构和声子散射行为，显著优化了材料的热电性能。同时，这些掺杂元素的形成能较低，表明它们在晶界区域更容易形成，从而进一步降低热导率。

在分析剪切模量与带电点缺陷之间的关系时，研究还发现，剪切模量的变化与晶界区域的几何结构和缺陷的电荷状态密切相关。例如，在某些缺陷电荷状态下，晶界区域的剪切模量显著降低，这表明材料的结构变得更加柔软。这种结构变化不仅影响了材料的机械性能，还对其热电性能产生了深远影响。因此，通过调控缺陷的电荷状态，可以有效地优化PbTe材料的热电性能。

综上所述，本研究通过第一性原理计算和机器学习方法，系统分析了带电点缺陷在PbTe晶界区域的形成能及其对剪切模量的影响。研究发现，带电点缺陷能够显著改变材料的键合特性，从而影响其机械性能和热电性能。通过调控这些缺陷的电荷状态，可以有效降低材料的热导率，提高其热电性能。这些发现不仅为理解PbTe材料的性能优化机制提供了新的视角，也为未来设计和开发高性能热电材料提供了理论依据和技术路线。