在可穿戴设备、柔性电子快速发展的今天，能兼顾高效热电转换与良好形变能力的材料，一直是科研人员追逐的目标 —— 毕竟传统的商用热电材料，大多是 “一碰就碎” 的脆性材料，根本没法适配需要弯曲、形变的柔性场景。
中国科学院上海硅酸盐研究所的团队，就给碲化铋基热电材料这个 “老材料” 赋予了新的可能，他们不仅揭开了碲化铋家族材料的塑性本质，还划定了能同时兼顾优良塑性与优异热电性能的组分区间，为柔性热电材料的研发指明了方向。
作为目前最成熟的室温热电材料，碲化铋（Bi₂Te₃）基材料早就已经在固态制冷、精准控温、局域热管理这些领域实现了商业化应用。但它有个问题：本征脆性。
外力稍微大一点，它就容易解理破碎，这就导致它根本没法用在柔性电子、微型器件这些需要材料能承受形变的场景里，大大限制了它的应用边界。
之前，这个团队就已经做出了突破：他们发现，通过调控 Bi₂Te₃里的两类本征反位缺陷，就能在晶体里引入高密度的多样化微结构，让原本脆性的 Bi₂Te₃晶体，变成了能弯折的塑性材料，相关成果还发在了《Science》上。
但新的问题来了：Bi₂Te₃的两个 “兄弟”——Bi₂Se₃和 Sb₂Te₃，还有它们和 Bi₂Te₃形成的赝二元固溶体，它们的力学性能怎么样？能不能也拥有类似的塑性？在这之前没人能说清楚。
为了搞清楚这个问题，上海硅酸盐所的仇鹏飞、史迅、明辰研究员，联合国科大杭州高等研究院的团队，展开了系统的研究，相关成果发表在了《Nature Communications》上。
首先，他们用温度梯度法，合成了 Bi₂Te₃、Bi₂Se₃和 Sb₂Te₃这三种纯晶体，然后测试它们的力学性能。
结果发现，和能做到最大弯曲应变量超 20% 的 Bi₂Te₃完全不同，Bi₂Se₃和 Sb₂Te₃都是实打实的脆性材料，它们面内方向的三点弯曲最大应变量还不到 3%，稍微弯一点就碎了。
为什么会有这么大的差别？通过透射电镜的表征：
Bi₂Te₃的晶体里，存在大量交错层、涟漪状结构、层错这些高密度、多样化的微结构，正是这些结构让它能承受大的形变；而 Bi₂Se₃和 Sb₂Te₃的原子排列特别规整，完全没有这类微结构。
而这种微结构的差别，本质上是三种材料的本征缺陷特征不一样。
理论计算的结果显示：Bi₂Te₃里的两种反位缺陷 BiTe 和 TeBi，当它们的缺陷形成能相等的时候，数值只有 0.6eV，这就意味着这两种缺陷可以同时大量存在，进而诱导出那些多样化的微结构。
但 Bi₂Se₃里的对应反位缺陷，形成能相等的时候数值高达 1.3eV，根本没法同时大量生成；Sb₂Te₃的缺陷形成能虽然低，但是对应的成分区间太极端了，实验上根本做不出来。所以这两种材料里，就没法形成那些能带来塑性的微结构，自然就是脆性的。
那如果把 Sb 或者 Se 固溶到 Bi₂Te₃里，能不能既保留塑性，又优化热电性能？
团队接着合成了一系列的 Bi₂(Te,Se)₃和 (Bi,Sb)₂Te₃固溶体，系统测试了它们的性能。
他们发现，随着 Sb 或者 Se 的固溶量增加，晶体的塑性会慢慢减弱。但只要 Sb 的固溶量低于 70%，或者 Se 的固溶量低于 20%，晶体就能保留类似 Bi₂Te₃的优良塑性，面内最大弯曲应变量能到 10% 以上，完全能满足柔性器件的形变需求。
而且透射电镜也证实，这些有塑性的固溶体晶体里，同样存在那些高密度的多样化微结构，再次证明了这种微结构和塑性的强关联。
除了力学性能，热电性能也很关键。
测试结果显示，Sb 固溶可以提高 Bi₂Te₃的空穴浓度，而 Se 固溶还能把载流子从空穴转成电子；而且不管是固溶 Sb 还是 Se，都能有效降低晶格热导率，这对提升热电性能很有帮助。
基于这些测试结果，团队绘制出了完整的组分 - 塑性 - 导电类型 - 热电性能关系图，明确了最优的组分区间：
当 Sb 的固溶量在 0 到 0.7 之间的时候，晶体同时拥有 p 型导电、优良塑性和高热电性能 —— 最大弯曲应变量≥10%，功率因子 PF≥20 μW cm⁻¹K⁻²，热电优值 zT≥0.6，完全能满足实际应用的需求。
Bi2(Te1-xSex)3和(Bi1-ySby)2Te3晶体的室温组分-塑性-导电类型-热电性能关系（图来源中国科学院上海硅酸盐研究所）
这项研究，不仅把 Bi₂Te₃基塑性热电材料的研究范围给拓宽了，更让我们对热电材料里 “缺陷 - 微结构 - 力学性能” 的关联有了更深的理解，给后续新型高性能塑性无机热电材料的研发，提供了重要的指导。
未来，这类能弯折的高性能热电材料，或许能在可穿戴热管理、柔性制冷、微型传感器这些领域，发挥出大作用，让我们的柔性电子设备拥有更强大的热管理能力。
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-025-60465-2
