热电材料能够利用Seebeck效应和Peltier效应通过温差或电场驱动电子定向流动，从而直接实现热能与电能的直接相互转换。热电能量转换技术在电子器件制冷（例如，5G通讯激光器温度精密控制）和热能回收发电（例如，放射性同位素温差发电器）等领域具有重要应用。

　　Zintl相具有“声子玻璃，电子晶体”特性，在热电材料中受到了广泛的关注。n型Mg₃Bi₂作为Zintl相的重要组员之一，其在室温下具有良好的热电性能（zT > 0.5）。中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心王玉梅副研究员近10年来应用先进电子显微学在热电材料方面做了一系列工作，近期与哈工大（深圳）张倩教授和毛俊教授团队合作，在Zintl相热电材料领域取得重要进展。本工作中成功制备了厘米级高品质铋化镁（Mg₃Bi₂）单晶，其在面内方向的压缩应变超过75%，拉伸应变高达100%！这一数值相较传统热电材料高出了一个数量级，甚至超过了部分具有类似晶体结构的金属材料（例如钛、镁、锆、钴和铪）。此外，碲掺杂的铋化镁（Mg₃Bi_1.998Te_0.002）单晶在面内方向的热电功率因子约为55μWcm^-1K^-2，室温热电优值zT约为0.65。通过对比不同材料的室温热电性能与材料的最大拉伸应变，可以发现铋化镁单晶兼具优异的塑性与热电性能，其性能优于目前的塑性半导体材料。基于铋化镁（Mg₃Bi₂）单晶在室温下具备大塑性变形能力，物理所王玉梅指导博士生薛文华等利用球差矫正透射电子显微镜对铋化镁（Mg₃Bi₂）单晶及碲掺杂的铋化镁（Mg₃Bi_1.998Te_0.002）的微观形变机制进行了研究，结果表明：发生塑性变形后的铋化镁单晶中存在大量滑移带和位错，确定了材料中滑移系为柱面滑移系，阐明了该材料塑性变形的微观机制。此外，利用第一性原理计算对铋化镁材料中潜在的滑移系（即基面滑移系，柱面滑移系与锥面滑移系）的滑移势垒与解理能进行了评估。计算结果发现铋化镁中的多个滑移系均具有较低的滑移势垒。这表明材料中可能存在多个滑移系对铋化镁单晶的塑性变形起到贡献。以上研究结果推动了塑性无机热电材料的发展。

　　相关成果以“Plasticity in single-crystalline Mg₃Bi₂ thermoelectric material”为题发表在《自然》（Nature）上。该研究得到了中国科学院、国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目支持。

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　　https://doi.org/10.1038/s41586-024-07621-8 

图 (a) Mg₃Bi₂晶体结构；(b) 不同热电材料及韧性半导体的压缩应力-应变曲线；(c) 不同hcp金属的拉伸应力-应变曲线；(d) Mg₃Bi₂ $[11\overline{2}3]$HAADF-STEM像，伯氏矢量方向和大小分别为$[11\overline{2}\overline{1.2}]$和$2{\mathit{d}}_{(11\overline{2}\overline{2})}$；(e) Mg₃Bi₂$[2\overline{1}\overline{1}0]$HAADF-STEM像，伯氏矢量为b = c/2[0001]；(f) Mg₃Bi₂$[10\overline{1}0]$HAADF-STEM像，伯氏矢量为b = c[0001]，(d-f) 标尺为2nm；(g-h) Mg₃Bi_1.998Te_0.002$[2\overline{1}\overline{1}0]$HAADF-STEM像，伯氏矢量为b = c[0001]；(i) Mg₃Bi₂ 滑移系示意图。