块体热电材料的热变形诱导再结晶与性能优化

Nanostructurization is one of the most efficient routes to improve the properties of bulk thermoelectric materials. The fabrication of nanostructured thermoelectric materials with a homogeneous property distribution in kilogram large bulks is one of the most crucial demands and challenges for the scale applications of thermoelectric materials. Hot-deformation induced recrystallization (HDIR) is a new, facile, phase transformation independent and scalable technique to make bulk thermoelectric materials nanostructured in-situ. Here we propose to investigate the microstructure formation during HDIR in large bulk thermoelectric materials, the spacial distribution of the deformation stress and microstructures, and their effects on the thermoelectric properties, using bismuth telluride and magnesium silicide based alloys, as both represent two typical crystal structures. The proposed investigation is aimed at revealing the hot-reformation behaviors and the formation of 10-nm structures in thermoelectric intermetallic compounds, exploring the possibility of improving thermoelectric figure of merits of large bulk materials with HDIR treatment, and developing scalable, controllable fabrication techniques for high-ZT large bulk thermoelectric materials with a homogeneous property distribution.

结构纳米化是提高块体热电材料性能的最有效途径之一。发展热电性能空间分布均一的千克级纳米结构块体热电材料可控制备技术是实现热电材料规模化应用的关键性需求和挑战。热变形诱导再结晶（HDIR）是一种不依赖于固态相变、具有可放大应用潜力的块体热电材料原位纳米化制备新技术。本项目选择分别具有典型晶体结构的碲化铋基合金和镁硅基合金热电材料，通过对百克级至千克级大块体材料在HDIR过程中的微结构形成演变规律、变形应力和微结构空间分布特征及其对热电性能影响的系统研究，阐明金属间化合物热电材料的热变形行为和10纳米级微结构形成机制，揭示HDIR处理对纳米结构大块体材料中合金元素在界面处的分布特征以及对有效载流子浓度的影响，探索通过HDIR处理实现大块体热电材料中电声输运协同调控和热电性能突破的途径，并在此基础上发展具有局部性能分布均一的高性能千克级大块体纳米结构热电材料可控制备技术。

本项目重点围绕具有典型准层状晶体结构和强烈各向异性的碲化铋基热电材料研究块体热电材料在热变形处理过程中的微观组织结构以及对电声输运行为的影响规律。项目从理论和实验上深入研究了材料热变形处理过程中，从宏观尺度的织构、微米纳米尺度的晶粒组织到原子尺度的晶格扭曲、位错和点缺陷的多尺度微观组织结构形成演变规律，以及它们对载流子和声子输运的影响作用。本项目研究发现，这种多尺度微结构源于热变形过程中的本征点缺陷重构，位错等晶体缺陷的快速增殖及其诱导的动态再结晶。本项目研究阐明了碲化铋基等典型热电材料的热变形诱导动态再结晶机制，发展了微米/纳米复合结构的块体热电材料的可控制备技术，实现了热电材料性能的显著提高；揭示了热变形过程对材料中点缺陷的影响规律，发展了通过热变形处理调控载流子浓度和材料热电性能峰值温度的新技术。本项目通过系统研究典型金属间化合物热电材料中的本征点缺陷，提出并应用点缺陷工程新方法，有效提高了多种热电材料的性能。本项目发表标注SCI论文19篇，其中包括：Adv Mater子刊5篇、NPG Asia Mater论文2篇、Adv Sci论文1篇、J Mater Chem系列3篇、Acta Mater论文2篇。截止2016年12月30日，本项目发表的标注论文已被SCI论文他引367次，最高单篇论文他引55次。本项目有关热变形技术和点缺陷工程概念等方面的研究成果已引起本领域同行广发关注，并被应用于多种热电材料体系。本项目已全面完成项目研究目标。