Fe2VAl赫斯勒合金表面位错的形成及其对电阻率的影响机制研究

针对硬脆性Fe2VAl赫斯勒合金位错引入难题，研究人员通过机械研磨和纳米压痕技术实现近表面位错可控构筑，结合TEM和四点探针技术揭示位错密度（2×1014 m-2）使电阻率提升90%，为热电材料性能调控提供新策略。

　　

在材料科学领域，赫斯勒合金（Heusler alloy）因其独特的电子结构和多功能特性备受关注，其中Fe₂VAl更因其环境友好性和潜在的热电应用价值成为研究热点。然而，这类硬脆性材料在室温下引入位错（dislocation）面临巨大挑战——传统方法容易引发裂纹而非塑性变形。更关键的是，位错对Fe₂

为破解这一难题，国外研究团队在《Scripta Materialia》发表创新成果。研究人员采用机械研磨和纳米压痕两种表面机械处理方法，在Fe₂VAl中成功构筑近表面位错网络，并通过跨尺度表征技术系统揭示了位错密度与电阻率的定量关系。研究发现，研磨处理可产生2×10¹⁴ m^-2的超高位错密度，使电阻率从原始状态的3.9 μΩ cm激增至7.5 μΩ cm，增幅达90%，而纳米压痕处理的区域（位错密度3×10¹³ m^-2）电阻率仅轻微上升至4.2 μΩ cm。这一发现不仅填补了硬脆材料室温位错工程的空白，更建立了位错应变场与电荷输运的关联模型。

关键技术方法包括：1）通过机械研磨（80 grit SiC砂纸）和纳米压痕（200 mN载荷）在Fe₂VAl表面引入梯度位错；2）振动抛光技术保留亚表面变形层；3）透射电子显微镜（TEM）暗场成像定量分析位错密度分布；4）原位四点探针法（5 μm间距）测量局部电阻率；5）基于应变场叠加模型计算电子迁移能垒。

【位错密度梯度分布】
TEM分析显示：研磨处理的位错影响深度达10 μm，1 μm处密度达2×10¹⁴ m^-2，显著高于纳米压痕的3×10¹³ m^-2。电子通道衬度成像（ECCI）证实振动抛光可消除表面形貌特征而不影响位错结构。

【电阻率与位错关联机制】
通过Matthiessen规则计算位错比电阻率为2×10^-20 Ω m³，远超纯金属。研究提出应变场叠加效应是关键机制：当位错平均间距为70 nm时，剪切应变ε_xy达1.1×10^-3，产生22 meV的电子迁移能垒（deformation potential模型），导致电阻率倍增。

【材料力学性能基准】
纳米压痕测得Fe₂VAl弹性模量为225±5 GPa（低于DFT预测值），纳米硬度6.6±0.1 GPa，为后续变形工艺提供参数依据。

该研究开创性地证明：1）表面机械处理可实现硬脆合金的位错空间/密度双调控；2）位错密度超过10¹³ m^-2会显著恶化Fe₂VAl的电荷输运性能；3）应变场相互作用导致的电子散射是电阻率跃升的主因。这些发现不仅为热电材料性能优化提供新思路——通过位错工程平衡电/热输运特性，更建立了硬脆材料缺陷-性能关系的普适分析框架。未来结合位错区域选择性掺杂，有望突破热电材料"电子晶体-声子玻璃"的设计瓶颈。