【哈工大（深圳）宣】（毛俊 张天宇 文/图）近日，哈工大深圳校区前沿学部材料科学与工程学院张倩、毛俊教授团队在塑性热电材料领域取得重要进展。团队报道了单晶铋化镁（Mg₃Bi₂）中层内塑性的显著各向异性，揭示了单晶铋化镁优异塑性形变能力的微观机制。该研究成果以“无机铋化镁单晶中显著的层内塑性各向异性”（“Substantial planar plastic anisotropy in inorganic Mg₃Bi₂ single crystals”）为题发表于《美国科学院院报》(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America)。

热电材料可以实现热能与电能的直接相互转换，从而应用于热能发电和固态制冷等领域。铋化镁是一种具有三方晶系结构的无机热电材料，单晶铋化镁在室温下不仅具有优异的塑性变形能力，还拥有良好的热电性能。通常情况下，低晶体对称性和共价键均会导致非常有限的塑性变形能力，但这与单晶铋化镁的实验力学性质相悖。此外，由于铋化镁具有三方晶系结构，在研究力学性能时还需考虑各向异性的影响。因此，阐明该材料的室温塑性各向异性以及主导塑性变形能力的微观机制至关重要。

为了解决上述问题，张倩、毛俊团队制备了厘米级高质量铋化镁单晶，结合宏观拉伸和微柱压缩实验与电子背散射衍射分析技术，确定了该材料晶体取向与塑性变形能力的依赖关系。研究发现，铋化镁单晶的塑性变形能力会随着加载方向而变化，当拉伸方向沿着       晶向时，材料可实现高达115%的拉伸应变。微柱压缩实验结果表明，所观察到的塑性各向异性主要取决于单滑移系和双滑移系的激活情况。一旦双滑移系被激活，材料便能获得更优异的塑性变形能力，而具体哪个滑移系能被激活则由施密特定律决定。通过微柱晶体取向定向，可以确定锥面       滑移是铋化镁单晶变形中激活的主要滑移系。此外，透射电子显微表征的双束成像结果也表明       位错在铋化镁单晶塑性变形中起着重要作用。

图 1 铋化镁单晶的层内塑性各向异性。（a）不同晶体取向的铋化镁单晶的工程应力—应变曲线；（b）加载方向，颈缩应变与断裂伸长率之间的关系；（c）锥面滑移系的施密特因子与加载方向的关系；（d）沿着       方向进行压缩时，铋化镁微柱的变形形貌以及滑移面和滑移方向的示意图；（e）沿着       方向进行压缩时，铋化镁微柱的变形形貌以及滑移面和滑移方向的示意图；（f-g）变形后的铋化镁微柱中不同双束条件下的位错。

为进一步阐明铋化镁单晶层内塑性各向异性的微观机制，本工作还开发了该材料的机器学习势模型，该模型经过专门设计和训练，可精确描述主导铋化镁力学行为的复杂键合相互作用。基于所开发的机器学习势函数，构建了百万原子的纳米柱模型用于模拟压缩变形过程，模拟得到的铋化镁单晶的塑性变形规律与实验结果高度一致。

图 2 铋化镁单晶塑性变形的分子动力学模拟。（a-e）压缩载荷沿着       方向施加时的模拟变形过程，颜色条代表yy方向的应力张量；（f-j）压缩载荷沿着       方向施加时的模拟变形过程。

哈工大深圳校区为论文第一完成单位。哈工大深圳校区博士研究生张天宇为论文第一作者，吉林大学博士研究生阎锦和哈工大深圳校区博士研究生柯金为共同第一作者。张倩、毛俊教授以及吉林大学教授付钰豪为论文共同通讯作者。哈工大深圳校区周岳新、周一凡、叶升、徐耀、马宝鹏、陈尚豪、程谨轩和陈家辉参与相关研究工作。本工作还得到了燕山大学赵鹏研究员，吉林大学张立军教授，哈工大深圳校区张进副教授、曹峰教授、施荣沛教授、谢国强教授和实验与创新教育中心高级实验师姚兆月老师的帮助与支持。该研究得到了国家杰出青年科学基金、国家重点研发计划、广东省基础与应用基础研究基金等项目支持。（编辑 谢梁晖 审核 张惠屏 陈南坤）