High performance magnesium-based plastic semiconductors for flexible thermoelectrics

材料科学 热电效应 可塑性 微晶 热电材料 脆性 半导体 复合材料 冶金 纳米技术 光电子学 热导率 热力学 物理
作者
Airan Li,Yuechu Wang,Yuzheng Li,Xinlei Yang,Pengfei Nan,Kai Liu,Binghui Ge,Chenguang Fu,Tiejun Zhu
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:15 (1) 被引量:8
标识
DOI:10.1038/s41467-024-49440-5
摘要

Abstract Low-cost thermoelectric materials with simultaneous high performance and superior plasticity at room temperature are urgently demanded due to the lack of ever-lasting power supply for flexible electronics. However, the inherent brittleness in conventional thermoelectric semiconductors and the inferior thermoelectric performance in plastic organics/inorganics severely limit such applications. Here, we report low-cost inorganic polycrystalline Mg 3 Sb 0.5 Bi 1.498 Te 0.002 , which demonstrates a remarkable combination of large strain (~ 43%) and high figure of merit zT (~ 0.72) at room temperature, surpassing both brittle Bi 2 (Te,Se) 3 (strain ≤ 5%) and plastic Ag 2 (Te,Se,S) and organics ( zT ≤ 0.4). By revealing the inherent high plasticity in Mg 3 Sb 2 and Mg 3 Bi 2 , capable of sustaining over 30% compressive strain in polycrystalline form, and the remarkable deformability of single-crystalline Mg 3 Bi 2 under bending, cutting, and twisting, we optimize the Bi contents in Mg 3 Sb 2- x Bi x ( x = 0 to 1) to simultaneously boost its room-temperature thermoelectric performance and plasticity. The exceptional plasticity of Mg 3 Sb 2- x Bi x is further revealed to be brought by the presence of a dense dislocation network and the persistent Mg-Sb/Bi bonds during slipping. Leveraging its high plasticity and strength, polycrystalline Mg 3 Sb 2- x Bi x can be easily processed into micro-scale dimensions. As a result, we successfully fabricate both in-plane and out-of-plane flexible Mg 3 Sb 2- x Bi x thermoelectric modules, demonstrating promising power density. The inherent remarkable plasticity and high thermoelectric performance of Mg 3 Sb 2- x Bi x hold the potential for significant advancements in flexible electronics and also inspire further exploration of plastic inorganic semiconductors.
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