Bi2 Te3 家族热电晶体的塑性调控：缺陷工程与性能协同优化

为解决柔性热电材料中机械性能与热电性能难以兼顾的问题，研究人员通过温度梯度法生长Bi2 Te3 家族晶体（Bi2 Se3 、Sb2 Te3 及其固溶体），系统揭示了化学组成-本征缺陷-微观结构-塑性的关联机制。研究发现Bi2 Te3 中高密度反位缺陷（BiTe /TeBi ）诱导的多样化微结构是其室温超塑性（最大弯曲应变>10%）的关键，而Se/Sb合金化通过调控缺陷类型影响塑性。最终确定了兼具高塑性（εmax 10%）与优异热电性能（zT>0.6）的成分区间，为柔性热电器件设计提供新思路。

　　

热电材料能将废热转化为电能，在可穿戴设备自供电领域极具潜力。然而传统热电材料如Bi₂
Te₃
家族长期被认为脆性大，难以满足柔性器件需求。尽管近年发现的塑性无机半导体（如Ag₂
S、SnSe₂
）取得进展，但其热电优值（zT）远低于脆性材料。这一矛盾的核心在于材料塑性机制与热电性能的关联尚未阐明。2024年，中国科学院上海硅酸盐研究所团队在《Science》报道了缺陷型Bi₂
Te₃
晶体的室温超塑性现象，但其家族其他成员及固溶体的塑性行为仍属未知。

为系统解析Bi₂
Te₃
家族塑性的普适规律，研究人员采用温度梯度法生长了Bi₂
Te₃
、Bi₂
Se₃
、Sb₂
Te₃
及其固溶体单晶。通过三点弯曲/拉伸测试结合像差校正扫描透射电镜（STEM）和X射线摇摆曲线分析力学性能与微观结构；基于第一性原理计算缺陷形成能与聚集行为；同步测量电导率（σ）、塞贝克系数（S）和热导率（κ）评估热电性能。

塑性及微观结构特征
Bi₂
Te₃
晶体展现出20%的惊人弯曲应变，而Bi₂
Se₃
和Sb₂
Te₃
分别低于5%和1%。STEM揭示前者存在波纹位错（ripplocation）、交换双层（swapped-bilayer）等高密度缺陷结构，后两者原子排列则高度有序。

缺陷机制解析
计算表明Bi₂
Te₃
中Bi_Te
和Te_Bi
反位缺陷形成能仅0.63 eV，且倾向于聚集成缺陷面（能量降低72%）。而Bi₂
Se₃
中Bi_Se
/Se_Bi
形成能高达1.32 eV，Sb₂
Te₃
仅在极端Te富集条件下才出现等量Sb_Te
/Te_Sb
缺陷。

成分-性能调控
在Bi₂
(Te_1-x
Se_x
)₃
中，当x>0.2时塑性急剧下降；(Bi_1-y
Sb_y
)₂
Te₃
在y<0.7时仍保持>10%应变。最佳n型组分Bi₂
(Te_0.4
Se_0.6
)₃
的功率因子（PF=S²
σ）达18.8 μW cm^-1
K^-2
，p型(Bi_0.4
Sb_0.6
)₂
Te₃
的zT达1.0。

该研究首次建立了Bi₂
Te₃
家族塑性-成分-缺陷的定量关系，突破了对这类材料固有脆性的认知。提出的"反位缺陷诱导微结构多样化"机制为设计新型塑性热电材料提供普适策略，确定的成分窗口（0≤x<0.2，0≤y<0.7）可直接指导柔性器件开发。未来通过缺陷工程精确调控微结构密度与类型，有望实现塑性-热电性能的进一步协同优化。