纳米孪晶增强热电材料Bi2Te3

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         持续大量地使用化石燃料来满足全球不断增长的能源需求，造成了严重的环境破坏，这引起了科研工作者对热电（Thermoelectric，TE）转换技术的关注，即将废热直接转换成电力而不产生二氧化碳。在工业领域，低温废热几乎占总能量消耗的三分之一，而碲化铋（Bi2Te3）基热电材料广泛应用于低温固态发电机（300-550K）中，进行废热的回收利用。然而，碲化铋（Bi2Te3）材料机械强度较低，可能不能长期用于热电器件。在过去的二十年中，TE材料的转换效率显着提高，达到了工业应用的标准。然而在严峻的工作条件下，TE材料不可避免地受到由于温度梯度循环所产生的热机械应力，导致其材料性能急剧恶化，加速了热电器件的失效。为了使热电材料在能源转换的工程应用中发挥重要作用，必须大幅度提高其强度和韧性。

        近日，武汉理工大学的张清杰教授、美国西北大学的G. Jeffrey Snyder教授和内华达大学雷诺分校的Qi An助理教授 (共同通讯作者) 在Physical Review Letters.上发表了“Superstrengthening Bi2Te3 through Nanotwinning”的文章。研究人员首先用密度泛函理论（DFT）表明，纳米级孪晶可以将Bi2Te3的理想剪切强度提高到215％。实验研究发现单晶Bi2Te3强度低的原因是Te1与两个Te1-Bi-Te2-Bi-Te1五层五面体子结构之间的弱范德华作用力。而在相邻几何体的Te1原子之间形成的孪晶界，可以显著增强了它们之间的相互作用，使纳米孪晶Bi2Te3的理想剪切强度，相比于单晶（0.19 GPa）增加了近3倍（0.6GPa）。这种晶界工程策略为设计稳定的高性能热电材料提供了新的途径。