Advance Functional Materials:热电 Ag₂Se 半导体中相变引起的巨大形变

随着物联网的快速普及,越来越多的应用场景需要一种环保、稳定、长寿命的集成电子电源,包括可穿戴或可弯曲热电(TE)设备。如今,柔性热电材料因其能够将热能直接转化为电能,同时在机械应力下保持良好的延展性而不会破裂而受到广泛关注。与刚性热电器件相比,由柔性热电材料组成的新型器件可以与弯曲的热源进行柔性接触,例如热管道或人体手腕,以最大限度地收集热量。 TE 材料的效率由其无量纲品质因数 ZT 值衡量,定义为 ZT = α2σT/(κL+κe),其中α, σ, κL, κeT分别是塞贝克系数、电导率、晶格热导率、电子热导率和绝对温度。大多数传统的热电半导体,包括 Bi2Te3、CoSb3、PbTe、SiGe基化合物,都是机械脆性的。最近,在热电半导体中发现了非凡的类似金属的延展性,并且已经提出了一些无机半导体中的几种变形机制。与室温下具有高塑性变形应变的无半导体Ag2S一样,块体 Ag2Se 显示出优异的热电性能。但在大多数半导体硫属化物中,其相变过程中通常伴随着大变形,而变形机制在很大程度上仍未得到探索。并且Ag2Se作为快离子导体,人们很早就注意到高温Ag2Se相中存在短程有序结构,在其衍射图中引起非常强烈的漫散射。其短程排序的原子结构仍然未知。

武汉理工大学吴劲松教授团队研究发现在 Ag2Se 的相变过程中会产生了大变形,并通过原位透射电子显微镜 (TEM) 加热实验研究了结构演变和形变现象,揭示了热激活相变与其相应变形之间的关系。

研究人员采用原位加热透射电镜研究了Ag2Se的晶体结构在高温下的演化。发现当温度升高到413 K附近时发生相变并伴随大的形变。其中高温β-Ag2Se相以板条形式在低温α-Ag2Se相中出现共存。通过纳米束衍射发现高温β-Ag2Se相中的短程有序被认为是其电子衍射图中强弥散散射的起源。同时,在高温下发现了一种新的Ag+离子空位有序结构α’-Ag2Se相。通过HRTEM和电子衍射数据与α-Ag2Se相匹配,建立了α ‘ -Ag2Se相的原子模型。α′-Ag2Se相以纳米结构存在于β-Ag2Se相内。α ’-Ag2Se和β-Ag2Se共存是相变的副产物,为适应大变形提供了灵活的途径。在相变过程中,当Ag+离子空位有序时,Se—Se键折叠,当这些空位无序时,Se—Se键转变成拉伸状态。由于Se—Se键的这种拉伸/折叠状态的切换使得产生快速且大的变形。这项工作揭示了Ag2Se无机半导体在相变过程中变形的原子机制,这也将为理解其他功能材料的相变过程提供启发。

论文信息:

Phase-transformation-induced giant deformation in thermoelectric Ag2Se semiconductor

Qi Liang, Dongwang Yang, Fanjie Xia, Hui Bai, Haoyang Peng, Ruohan Yu, Yonggao Yan, Danqi He, Shaowen Cao, Gustaaf Van Tendeloo, Guodong Li, Qingjie Zhang, Xinfeng Tang, Jinsong Wu*

Advance Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202106938

原文链接:https://doi.org/10.1002/adfm.202106938