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武汉理工翟鹏程教授与加州理工William Goddard III教授《ACS AMI》：类液态Cu2Se变形孪晶机理

时间：2022-04-23 来源： 浏览：

武汉理工翟鹏程教授与加州理工William Goddard III教授《ACS AMI》：类液态Cu2Se变形孪晶机理

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热电材料能够实现热能与电能的直接相互转换，一直以来都是新能源领域的一大研究热点。其中， Cu 2 Se 热电半导体在高温下具备 “ 声子液体 - 电子晶体 ” 的特性，这不仅有益于获得较高的热电优值，也导致其结构 - 性能关系复杂而有趣，是类液态热电材料设计与应用中 值得关注 的问题。一方面，高温类液态 Cu 2 Se 是包含易迁移 Cu 离子和相对稳固 Se 框架的混合结构，能够表现出独特的固液复合变形模式。另一方面，在较高的温度和压力条件下制备的 Cu 2 Se 材料可能会形成孪晶，后者能够影响其结构稳定性、力学行为、热电性能等各个方面，因此是缺陷工程优化策略的重要实现途径。然而，目前对于该混合结构及其孪晶的微观机理尚 待进一步探索 。
 
近日 ，武汉理工大学翟鹏程教授课题组与美国加州理工学院 William A. Goddard III 教授 合作，通过分子动力学方法模拟研究了 β- Cu 2 Se 热电半导体 在不同温度下的单轴压缩变形过程，发现其高温类液态结构能够形成变形孪晶这一无机半导体中较为罕见的塑性行为，并从应力、结构和变形非均匀性三个方面探讨了相应的微观演化机理。该工作以“ Compression Induced Deformation Twinning Evolution in Liquid-Like Cu 2 Se ”为题发表于《 ACS Applied Materials & Interfaces 》期刊，武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室的黄贲博士后为论文第一作者。此研究得到国家自然科学基金等资助支持。

本文要点

模拟结果表明，不同于 600 K 以下 β 相固态结构相对单调的力学特性，在 800 K 以上 Cu 2 Se 稳定性和有序性会显著降低， Cu 离子以扩散的形式在 Se 框架内自由迁移，使得材料表现出类液态行为。该离子扩散过程能够作为 Cu 2 Se 载荷作用下的局部变形协调机制，通过动态键重组及时调整离子的近邻关系。这一定程度上缓解了类液态混合结构在单轴压缩时的非均匀化趋势，并且随着应变增长，可能导致大量 Cu 离子沿非加载方向发生集体运动，从而诱发变形孪晶这一塑性行为调整当前结构。此时，材料的变形模式由单一的压缩变为压剪复合，其中变形孪晶可视为相应结构稳定性、各向异性和有序性演化的特殊转变过程。由于 Cu 扩散能力受热激活作用影响，温度升高将促进类液态 Cu 2 Se 的变形孪晶行为，这也有别于大多固体材料中高温抑制孪晶的一般规律。这项工作揭示了类液态 Cu 2 Se 的微观结构演化过程及变形孪晶机理，为高性能 Cu 2 Se 热电材料的设计和应用提供理论支撑。
 

图 1 β - Cu 2 Se 的晶胞及分子动力学压缩模型

图 2 不同温度 β - Cu 2 Se 压缩的应力 - 应变关系：（ a ）加载方向的正应力 σ ；（ b ）平均剪应力 τ ；相应的（ c ）正应力标准差和（ d ）剪应力标准差可表明压缩变形中应力均匀化现象及剪切模式的激活。
图 3 1000 K 温度下 Cu 2 Se 压缩的原子构型：（ a ）初始结构；（ b ） 0.15 应变发生变形孪晶；（ c ） 0.195 应变形成高密度孪晶；（ d ）至（ f ） 0.275 应变后结构稳定性降低导致去孪晶现象。为阐明外力对变形孪晶的作用，图中仅显示热稳定的 Se 框架，并用着色标注其中心对称参数 CSP 的分布规律。

图 4 Cu 2 Se 径向分布函数 RDF ：（ a ）至（ b ）不同温度的初始结构；（ c ）至（ d ） 600 K 压缩模型；（ e ）至（ f ） 1000 K 压缩模型。

图 5 600 K 和 1000 K 温度下基于成键信息的 Cu 2 Se 离子近邻关系：（ a ）至（ d ）归一化的成键长度和数目；（ e ）至（ f ）成键数目比和构型能比的变化规律。

图 6 不同温度下 Cu 2 Se 变形非均匀参数 F 及归一化的密度标准差 DST 。
原文链接
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c00437

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